Energieeffiziente Beleuchtung unter Berücksichtigung von
Tageslicht und verschiedenen Nutzeranforderungen
vorgelegt von
Dipl.-Ing.
Stefan Gramm
geb. in Berlin
von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr. Sibylle Dieckerhoff
Gutachter: Prof. Dr. Stephan Völker
Prof. Dr. Alexander Rosemann
Prof. Dr. Heinrich Kaase
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 18. September 2015
Berlin 2015
D 83
Vorbemerkung
Ich danke Prof. Heinrich Kaase und Prof. Stephan Völker für die Überlassung des Themas und die
professionelle Betreuung während der Erstellung meiner Dissertation. Ebenfalls danke ich Prof.
Alexander Rosemann für die konstruktiv kritische Begutachtung der Arbeit. Weiterhin bedanke ich
mich bei den studentischen Mitarbeitern Arne Bauer, Ulla Maria Hartwig und Christin Petzold für
ihre hervorragende Mitarbeit in den Forschungsprojekten und die Erstellung herausragender
Studienabschlussarbeiten. Mein herzlicher Dank gilt den ehemaligen und aktiven Mitarbeitern des
Fachgebiets Lichttechnik, stellvertretend für alle und in ganz besonderem Maße Dr. Sırrı Aydınlı.
Die vorliegende Arbeit entstand von 2008 bis 2014 während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Berlin. Die Inhalte der Arbeit
wurden in den folgenden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung geförderten Forschungsprojekten entwickelt. Die
Dissertation ist nach Genehmigung in Teilen in den jeweiligen Projektberichten im Voraus veröffentlicht worden. Die wissenschaftliche Planung und verwaltungstechnische Organisation der Forschungsprojekte übernahm Prof. Heinrich Kaase. Für die Projektdurchführung unerlässliche Drittmittel stellten die Firmen OSRAM AG, ERCO GmbH sowie SCHÜCO International KG zur Verfügung.
„Energieoptimierte Beleuchtung bei gleichzeitiger Verbesserung der Lebensqualität durch Nutzung
von Tageslicht und neuer Lampen- und Vorschalttechnik“ (BMWi, 2007 – 2011)
„Energieeffiziente Beleuchtung in Museen unter besonderer Berücksichtigung der Tageslichtnutzung
und unter Einbeziehung konservatorischer Aspekte“ (BMWi, 2013 – 2014)
„Evaluierung der LED-Beleuchtung im Bundesrechnungshof (BRH), Bonn, aus Sicht des Energieumsatzes“ (BBSR, 2012 – 2013)
„Tageslichtnutzung in Wohn- und Arbeitsräumen zur Verbesserung der visuellen Behaglichkeit und
der Aufenthaltsqualität“ (BBSR, 2012 – 2013)
I
II
Kurzfassung
Die Notwendigkeit und die Möglichkeiten der Sanierung von Beleuchtungsanlagen werden in drei
Nichtwohngebäuden unterschiedlicher Nutzungsart untersucht. Die berechneten und vor Ort gemessenen Energieumsätze der Altanlagen und der Neuplanungen für ein Schulgebäude, mehrere
Ausstellungssäle in Museen und 40 Büroräume eines Verwaltungsgebäudes ergaben erhebliche
Einsparpotenziale von bis zu 70 %. Mit Einführung der LED-Technik ist erstmal eine hohe Energieeffizienz mit gleichzeitig deutlich verbesserter Lichtqualität möglich. So ist beispielsweise für den Einsatz in Museen keine UV-Filterung nötig und das relative Schädigungspotenzial wird deutlich abgesenkt.
Zur weiteren Erhöhung der Energieeinsparung bei Tageslichtnutzung gibt DIN 5034-1 einen Faktor
von 0,6 an, um den bei seitlichem Tageslichteinfall der Wartungswert der Beleuchtungsstärke für
horizontale Sehaufgaben reduziert werden darf. Da diese Angabe bisher nur auf Berechnungen beruhte, wurden in einem Probandentest unter kontrollierten Laborbedingungen die Auswirkungen des
seitlichen Tageslichteinfalls gegenüber einer konventionellen künstlichen Beleuchtungsanlage bei
unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten der Sehaufgabe weitergehend untersucht. Dabei
stellte sich heraus, dass für die Bewältigung der Sehaufgabe sogar noch kleinere Faktoren zu begründen wären. Jedoch fielen die Bewertungen der Annehmlichkeit durch die Probanden bei Faktoren <0,6 erheblich schlechter aus. Der in der Norm vorgeschlagene Faktor von 0,6 ist damit als
Kompromiss für eine bestmögliche Energieeinsparung bei gleichzeitig guter Vorraussetzung zur Bewältigung der Sehaufgaben und einer angenehmen Beleuchtungssituation bestätigt.
Abstract
The need for and the possibilities for retrofitting of lighting systems are investigated in three nonresidential buildings types. The energy consumption of the existing lighting systems as well as new
state-of-the-art lighting systems are calculated and measured for a school building, several
exhibition halls in musea and 40 office spaces of an administrative building. The comparison of the
measured energy consumption revealed significant energy savings potentials of up to 70 %. The
combination of high energy efficiency with significantly improved light quality has become possible
through the introduction of LED technology. For example there is no need for UV-filtering in musea
anymore while the relative damage potential is significantly lowered.
To further increase energy savings when using daylight the German industry standard DIN 5034-1
indicates a factor of 0.6 to which the maintained illuminance may be reduced with lateral daylight
incidence on a horizontal task area. Since this factor was only based on calculations until now, the
effects of lateral light incidence compared to a conventional artificial lighting system with different
surface textures of the visual task were further investigated in a subject test under controlled lab
conditions. The test showed that for dealing with the visual task even smaller factors can be
justified. However, the evaluation of convenience brought significantly worse ratings when using
factors lower than 0.6. The proposed factor of 0.6 is thus confirmed as a compromise for the best
possible energy savings with good precondition to deal with the visual tasks and also well rated
lighting situations.
III
Inhalt
1
Einführung
1
2
Fragestellungen
3
2.1
3
2.1.1
Schulgebäude
3
2.1.2
Ausstellungsräume in Museen
3
2.1.3
Büroräume in Verwaltungsgebäuden
4
2.2
3
Energieeffiziente Beleuchtung
Ausreichende Beleuchtungsstärke bei seitlichem Tageslichteinfall
Energieeffiziente Beleuchtung
3.1
4
7
Schulgebäude
7
3.1.1
Beschreibung der Schule und der untersuchten Räume
7
3.1.2
Anforderungen an die Beleuchtung in Schulen
9
3.1.3
Beleuchtung in der Königin-Luise-Schule
10
3.1.4
Energetische Bewertung der Beleuchtungsanlage
16
3.1.5
Monitoring der Schulbeleuchtung
22
3.1.6
Zusammenfassende Betrachtung zur Schulbeleuchtung
30
3.2
Ausstellungsräume in Museen
31
3.2.1
Anforderungen an die Beleuchtung in Museen
31
3.2.2
Einfache Dosimeter für die Praxisanwendung
34
3.2.3
Sanierung der künstlichen Beleuchtung im Bode-Museum Berlin
42
3.2.4
Beleuchtung mit Oberlicht in der Kunsthalle Mannheim
57
3.2.5
Monitoring der Museumsbeleuchtung
62
3.2.6
Zusammenfassende Betrachtung zur Museumsbeleuchtung
70
3.3
Büroräume in Verwaltungsgebäuden
71
3.3.1
Anforderungen an die Beleuchtung in Büroräumen
71
3.3.2
Tageslichtbeleuchtung
72
3.3.3
Künstliche Beleuchtungsanlage
73
3.3.4
Energetische Bewertung der Beleuchtungsanlage
75
3.3.5
Monitoring der Bürobeleuchtung
77
3.3.6
Zusammenfassende Betrachtung zur Bürobeleuchtung
82
IV
4
Ausreichende Beleuchtungsstärke bei seitlichem Tageslichteinfall
83
4.1
Reflexblendung und Kontrastwiedergabefaktor
83
4.2
Versuchsdesign
85
4.2.1
Parameter
85
4.2.2
Methodik
86
4.2.3
Operationalisierung
90
4.3
Aufbau des Versuchsraums mit künstlichem Himmel
90
4.4
Messtechnische Erfassung
95
4.4.1
Reflexionsgrade
95
4.4.2
Tageslichtquotient
95
4.4.3
Gleichmäßigkeit
96
4.4.4
Leuchtdichteverteilung
97
4.4.5
Glanzeigenschaften des Papiers
99
4.4.6
Messung des Kontrastwiedergabefaktors
100
4.5
Versuchsablauf
107
4.6
Auswertung
108
4.6.1
Beschreibung der Probanden
108
4.6.2
d2-R Test
110
4.6.3
Fragebogen
114
4.6.4
Subjektive untere Annehmlichkeitsgrenze
121
4.7
Zusammenfassende Betrachtung des Probandenversuchs
123
5
Zusammenfassende Bewertung
125
6
Literatur
127
V
1 Einführung
Zur Sicherung der Versorgung kommender Generationen muss neben dem Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien auch die Einsparung von Energie weiter optimiert werden. Dies kann bei
gleichbleibendem Standard nur durch eine höhere Energieeffizienz in allen Bereichen erzielt werden. Gerade im Bereich von Gewerbe, Handel und Dienstleistungen ist der Umsatz an elektrischer
Energie für die Beleuchtung besonders hoch. Nach [AGEB, 2013] liegt der relative Anteil bei
41,5 %. In den anderen betrachteten Bereichen wie Industrie, Haushalte und Verkehr werden lediglich 6,4 % der elektrischen Energie für die Beleuchtung aufgewendet. Dies bedeutet, dass Optimierungen bezüglich der Energieeffizienz von Beleuchtungsanlagen besonders in Büros und öffentlichen Gebäuden wichtig sind. Unter Berücksichtigung des für die elektrische Energie nach
[ENEV 2014] anzusetzenden und gegenüber anderen Energieträgern hohen Primärenergiefaktors
von 2,8 wird deutlich, dass vermeintlich kleine Verbesserungen im Bereich der Beleuchtung relativ
große Auswirkungen auf den CO2-Ausstoß haben.
Im Jahr 2002 erließ das Europäische Parlament und der Rat erstmals die „Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden“. Diese wurde zuletzt 2010 in einer Neufassung mit höheren
Anforderungen verschärft [2010/31/EU]. Die Umsetzung in deutsches Recht geschieht seit 2007
durch die Änderung der Energieeinsparverordnung [ENEV 2007]. Diese gibt Planern und Betreibern
von Gebäuden verbindliche Vorgaben u. a. bezüglich des Wärmeschutzes, der Heizungs- und
Warmwasserbereitungsanlagen sowie raumlufttechnischer Anlagen. Seit dieser Änderung wird für
die Bilanzierung des Endenergiebedarfs eines Gebäudes erstmal auch die Beleuchtung berücksichtigt. Die letzte Änderung dieser Verordnung im Jahr 2013 [ENEV 2014] setzt nun auch die verschärften Anforderungen der Neufassung der EU-Richtlinie um. Die einheitliche Berechnung und
Bilanzierung des Endenergiebedarfs eines Gebäudes wird seit 2007 in der Vornorm [DIN V 18599]
festgelegt. Teil 4 dieser Vornorm beschreibt das für die Bewertung der Beleuchtung durchzuführende Rechenverfahren, die dafür erforderlichen Nutzungsrandbedingungen finden sich in Teil 10 [de
Boer u.a., 2006].
Laut [ZVEI, 2013] sind nach aktuellem Stand in Nichtwohngebäuden 75 % aller Beleuchtungsanlagen älter als 25 Jahre und gelten damit als veraltet. Für 80 % der Neubauten findet keine ausreichende Lichtplanung statt, weshalb Effizienzpotentiale nicht genutzt werden. Dabei ermöglicht die in
den letzten 25 Jahren fortgeschrittene Entwicklung im Bereich der Leuchtstofflampen von T12 über
T8 nach T5 sowie der zum Betrieb nötigen Vorschaltgeräte von konventionellen (KVG) über verbesserte (VVG) zu elektronischen (EVG) Vorschaltgeräten Energieeinsparpotenziale von über 50 % gegenüber der veralteten Technik. Wird dies mit darauf angepassten modernen Leuchten kombiniert,
ist mit einer weiteren Verringerung des Energiebedarfs zu rechnen. Aufgrund der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Halbleitertechnik ist die Leuchtdiodentechnik mittlerweile auch in der Allgemeinbeleuchtung als energieeffiziente Lichtquelle Stand der Technik. Besonders bei Kombination
mit zusätzlichen Funktionen wie Dimmung spielt sie ihre Vorteile aus. Auch sind nach [ZVEI, 2013]
85 % der veralteten Bestandsanlagen nicht mit Präsenzüberwachung oder tageslichtabhängiger Regelung ausgestattet, die nach [Szerman, 1994] aufgrund des Ein- und Ausschaltverhaltens der Nutzer einen erheblichen Einfluss auf den Energieumsatz der Beleuchtung in Büroräumen haben.
1
All dies zeigt, dass die Sanierung von Beleuchtungsanlagen besonders im Bereich öffentlicher Gebäude und in Bürogebäuden nötig ist, um die Energieeinsparpotenziale moderner Beleuchtungssysteme optimal zu nutzen. In dieser Arbeit wird das Einsparpotenzial neu geplanter Beleuchtungsanlagen gegenüber den Bestandssystemen und der Standardlösung des Referenzgebäudes aufgezeigt.
Dies wird an drei typischen Beispielen mit unterschiedlichen Anforderungen durchgeführt. Weiterhin
wird auf das Einsparpotenzial durch Tageslichtnutzung eingegangen.
Diese Felduntersuchungen werden in einem Laborversuch fortgeführt, in dem die Vorteile des seitlichen Lichteinfalls durch Tageslicht bei typischen Büroaufgaben im Detail untersucht werden. Denn
auch wenn die Sanierung der Beleuchtungstechnik einen erheblichen Anteil an der Einsparung hat,
sind weitere Potenziale durch eine optimierte Regelung zu erschließen. Das Problem bestehender
Regelungssysteme liegt darin, dass in der Regel über einen an der Decke verbauten Sensor über die
Messung einer mittleren Strahldichte auf eine konstante Beleuchtungsstärke geregelt wird. Mögliche
Unterschiede aufgrund unterschiedlicher Lichteinfallsrichtungen werden dabei nicht berücksichtigt.
Die günstigen Effekte des Tageslichts bleiben dabei ungenutzt. Bisherige verbindliche Regeln und
Anforderungen in [DIN 5034-1] beziehen sich auf über 30 Jahre alte Untersuchungen, die auf
theoretischen Berechnungen und Simulationen beruhen. Durch den Laborversuch werden diese
Vorgaben unter kontrollierten Bedingungen mit einem Probandentest überprüft.
2
2 Fragestellungen
Aus den in der Einführung geschilderten Hintergründen ergeben sich unterschiedliche Fragestellungen, die in dieser Arbeit in zwei Bereiche gegliedert untersucht werden. Im Teil „Energieeffiziente
Beleuchtung“ werden schwerpunktmäßig besonders energieeffiziente künstliche Beleuchtungsanlagen in drei verschiedenen Typen von Nichtwohngebäuden untersucht. Eine detaillierte Betrachtung
des Einflusses der Lichteinfallsrichtung bei Tageslichtbeleuchtung in Büroräumen wird im Abschnitt
„Ausreichende Beleuchtungsstärke bei seitlichem Tageslichteinfall“ dargestellt.
2.1 Energieeffiziente Beleuchtung
2.1.1 Schulgebäude
Schulgebäude sind ein typisches Beispiel für Nichtwohngebäude, die meist von öffentlicher Hand
betrieben werden. Aufgrund zu geringer finanzieller Mittel werden diese Gebäude oft „auf Verschleiß gefahren“ und nur die zum Erhalt des Betriebs notwendigen Reparaturen vorgenommen.
Flächendeckende nachhaltige Investitionen finden in der Regel nicht statt. Dabei ist nominell durch
den Austausch veralteter Anlagen durch moderne Beleuchtungslösungen eine erheblicher Energieeinsparung zu erwarten. Hier stellt sich die Frage, welche Einsparung bei der Beleuchtung in einem
realen Schulgebäude tatsächlich möglich ist. Dazu wird der Energieumsatz der Bestandsanlage, des
EnEV-Referenzgebäudes und einer neuen detaillierten Fachplanung nach [DIN V 18599-4] berechnet. Ergänzend wird durch Langzeitmessungen die innerhalb eines Jahres tatsächlich aufgenommene Energie bestimmt. Weiterhin kann aus den Messungen verschiedener Räume der Einfluss unterschiedlicher Tageslichtversorgungen auf den Energieumsatz bestimmt werden.
Es werden Antworten auf folgende Fragen erarbeitet:



Wie groß ist das Einsparpotential der Energie für die Beleuchtung von der Bestandsanlage
zum Referenzgebäude und zur Neuplanung in einem Schulgebäude mit veralteter Beleuchtungstechnik?
Welchen Einfluss hat die Tageslichtversorgung auf den Energieumsatz?
Welche Einflüsse ergeben sich durch tageslichtabhängige Regelung und Präsenzdetektoren?
2.1.2 Ausstellungsräume in Museen
Bei der Beleuchtung der Ausstellungsgüter in Museen haben der Objektschutz und eine sehr gute
Lichtqualität noch vor der Energieeffizienz die höchste Priorität. Durch die neuen Möglichkeiten der
LED-Technik, wie z. B. einstellbare ähnlichste Farbtemperatur, Dimmbarkeit oder aufgrund unterschiedlicher verwendeter LED-Module verschiedene Lichtausbeuten ist seit Einführung dieser Technik
erstmals auch in der Museumsbeleuchtung eine optimale Erfüllung aller drei Aspekte möglich.
Weiter bleibt auch die Problematik zu hoher Beleuchtungsstärken und objektschädigend wirksamer
Bestrahlungsstärken in Tageslichtmuseen bestehen. Dies kann entweder über aufwändige, dynamisch geregelte Tageslichtsysteme beherrscht werden oder bei feststehenden Systemen durch eine
3
entsprechend niedrig ausgelegte Tageslichtversorgung mit nahezu dauerhaft arbeitender geregelter
künstlicher Ergänzungsbeleuchtung.
Außerdem stellt sich als grundsätzliches Problem in der Praxis oft die Überprüfung der Objektschädigung heraus. Es existieren verschiedene einfache Dosimeter, deren Eignung für den Einsatz im
Museum überprüft werden soll.
Daraus ergeben sich die folgenden Fragestellungen:





Welche einfachen Dosimeter sind für den Einsatz im Museum geeignet?
Welche Energieeinsparpotentiale ergeben sich durch Sanierung der künstlichen Beleuchtung in Ausstellungsräumen?
Worauf muss bei der Auswahl von LED-Leuchten im Museum besonders geachtet werden?
Welche Folgen ergeben sich für den Objektschutz durch den Austausch von HGL-Strahlern
durch LED-Strahler?
Welchen Einfluss auf den Energieumsatz hat die tageslichtabhängige Regelung der künstlichen Beleuchtung in einem Oberlichtsaal?
2.1.3 Büroräume in Verwaltungsgebäuden
Stehleuchten haben sich als eine besondere Form der Bürobeleuchtung etabliert, die durch eine flexible Aufstellung an sich verändernde Nutzungen angepasst werden kann. Auch hier ermöglicht die
LED-Technik besonders energieeffiziente Lösungen mit Zusatzfunktionen wie Präsenzüberwachung
oder Dimmung. Gerade bei letzterem spielt die LED aufgrund der besseren Dimmkennlinie ihre
Vorteile gegenüber herkömmlichen Leuchtstofflampen-Lösungen aus. Dies ist gerade auch bei tageslichtabhängiger Regelung von Vorteil. Bei der Untersuchung von 40 Büros in einem Verwaltungsgebäude ist daher zusätzlich zum Einsparpotenzial durch Sanierung auch der Einfluss der Tageslichtversorgung auf den Energieumsatz von Interesse.
Dazu werden folgende Fragen beantwortet:


Wie hoch fällt die Reduzierung des Jahresendenergiebedarfs bei Ersatz der Bestandsanlage
durch LED-Stehleuchten aus?
Welchen Einfluss hat die Tageslichtversorgung auf den Energieumsatz?
2.2 Ausreichende Beleuchtungsstärke bei seitlichem Tageslichteinfall
Wenn der Beschluss gefasst wird, die Beleuchtungsanlagen eines Gebäudes zu sanieren, werden im
gleichen Zuge zunehmend häufiger auch tageslichtabhängige Beleuchtungssteuerungen und -regelungen integriert, um ein Maximum an Energie bei der Beleuchtung einzusparen.
[Petry, 1984] zeigt eine in herkömmlichen Regelungssystemen nicht berücksichtigte Möglichkeit zur
Energieeinsparung. Anhand des Kontrastwiedergabefaktors (CRF) überprüft er rechnerisch die Mindestbeleuchtungsstärken am Büroarbeitsplatz für künstliche Beleuchtungsanlagen und seitlichen Tageslichteinfall bei bedecktem Himmelszustand. Daraus resultierend schlägt er eine Mindestbeleuchtungsstärke für die Beleuchtung mit seitlich einfallendem Tageslicht vor. Nach seinem Urteil wird bei
gleicher Beleuchtungsstärke von künstlicher Beleuchtung und seitlichem Tageslicht, bei letzterem eine höhere Sehleistung erzielt. Er empfiehlt daher, 50 % bis 60 % der Nennbeleuchtungsstärke bei
4
seitlich einfallendem Tageslicht anzusetzen. Seine Ergebnisse wurden in die DIN 5034-1 aufgenommen: „Die durch das Tageslicht allein gegebene Beleuchtung in Arbeitsräumen mit Fenstern, in denen die Sehaufgaben auf horizontalen Flächen ausgeübt wird [sic], gilt – bedingt durch den seitlichen Lichteinfall – solange als ausreichend, wie die Beleuchtungsstärke mindestens das 0,6-fache
des in [DIN EN 12464-1] angegebenen Wartungswertes der Beleuchtungsstärke Ēm beträgt.“
Die Festlegung der Mindestbeleuchtungsstärke erfolgt dabei nach Tabelle 5.26 aus DIN EN
12464-1. Für die Arbeitsplatzbeleuchtung in Büros ist ein Wartungswert der Beleuchtungsstärke von
500 lx angegeben. Bei einer die künstliche Beleuchtung automatisch einschaltenden tageslichtabhängigen Regelung wird somit aber immer auf 500 lx geregelt, obwohl die Beleuchtungsstärke
durch das seitliche Tageslicht noch ausreichend wäre. Damit bleiben hierbei erhebliche Energieeinsparpotenziale ungenutzt. Dabei ist zu beachten, dass diese Verringerung von Ēm nur für horizontale Sehaufgaben und seitlich einfallendes Tageslicht gilt. Daher können nur Aussagen über Büroarbeitsplätze getroffen werden, die senkrecht zum Fenster angeordnet sind. Wenn auch Bildschirmarbeitsplätze die Regel sind, fallen nach [Markytán, 2008] noch 20 % der Tätigkeiten im Büro als
Schreib- und Lesearbeiten aus.
Petrys Berechnungsergebnisse wurden bisher nicht durch Probandenversuche gesichert. Daher muss
nicht zwingend gelten, dass die von Petry gefundenen höheren CRF-Werte bei seitlichem Lichteinfall
auch einen Einfluss auf die Sehleistung haben. Deshalb wird ein Probandenversuch durchgeführt,
der die folgenden Forschungshypothesen untersucht:




Wenn das Tageslicht von der Seite einfällt, verringert sich die für die gleiche Sehleistung
notwendige Beleuchtungsstärke im Vergleich mit einer künstlichen Allgemeinbeleuchtung.
Die Verringerung der Beleuchtungsstärke ist mit dem Faktor 0,6 zu quantifizieren.
Die Oberflächeneigenschaften des Papiers und die damit zusammenhängenden kontrastmindernden Effekte sind Ursache der geringeren Sehleistung bei direkter Beleuchtung, wobei gilt: Je glänzender die Papieroberfläche ist, desto niedriger fällt die Sehleistung bei direkter Beleuchtung im Vergleich zum seitlichen Tageslichteinfall aus.
Die Unterschiede der Sehleistungen lassen sich durch den CRF beschreiben.
Die Vorteile des seitlichen Tageslichteinfalls führen bei gleicher Beleuchtungsstärke auf der
Sehaufgabe zu einer höheren Annehmlichkeit als bei direkter künstlicher Allgemeinbeleuchtung.
5
6
3 Energieeffiziente Beleuchtung
Ein wesentliches Merkmal für eine gute Beleuchtung ist neben der Einhaltung lichttechnischer Anforderungen eine energieeffiziente Ausführung der Beleuchtungsanlage. Im Folgenden wird die Sanierung von Beleuchtungsanlagen an drei realen Beispielen mit unterschiedlichen Nutzungsprofilen
(Schulgebäude, Museen, Verwaltungsgebäude) dargestellt. Dabei werden die Energieeinsparpotenziale durch Vergleich von Berechnungen und Messungen der Bestands- und Neuanlagen aufgezeigt. Mittels eines Langzeitmonitorings werden zusätzlich die Energieumsätze durch die reale
Nutzung bestimmt.
3.1 Schulgebäude
Beispielhaft für eine Vielzahl von bestehenden Schulgebäuden wurde im Jahr 2010 für die KöniginLuise-Schule in Berlin-Dahlem das Energieeinsparpotential durch eine Sanierungsplanung der Beleuchtungsanlage ermittelt. Für die gesamte Schule wurde die bestehende Beleuchtungstechnik aufgenommen und mit dem nach dem Verfahren der DIN V 18599-4 ermittelten Endenergiebedarf für
das Referenzgebäude verglichen [Petzold, 2011]. Zusätzlich wurde eine besonders energieeffiziente
Neuplanung der Beleuchtungsanlage durchgeführt und in vier ausgewählten Klassenräumen
realisiert.
Für das Monitoring des tatsächlichen Energieumsatzes wurde in diesen vier Klassenräumen mit Hilfe
einer dezentralen Messtechnik über den Zeitraum eines Jahres die elektrische Leistungsaufnahme
durch die Beleuchtung ermittelt und gespeichert. Zur Klassifizierung der Beleuchtungssituation, die
für die Bewertung nach der [ENEV 2009] wesentlich ist, wurden die Klassenräume bezüglich der Tageslichtversorgung und der künstlichen Beleuchtung umfangreich untersucht und vermessen.
3.1.1 Beschreibung der Schule und der untersuchten Räume
Die Privatschule der Königin-Luise-Stiftung in Berlin-Dahlem beherbergt eine Grundschule, eine
Real- bzw. Sekundarschule, ein Gymnasium sowie ein Internat. Auf dem Schulgelände befinden sich
vier Gebäude. In dem etwa 100 Jahre alten Altbau sind neben einer Vielzahl kleiner Unterrichtsräume auch die Wohnbereiche des Internats untergebracht. Ein neuerer Turnhallenanbau beinhaltet
neben zwei Sporthallen weitere Fachräume. Im zweiten Anbau sind ausschließlich Unterrichtsräume
zu finden. Das vierte Gebäude ist ein Neubau, in dem sich die Grundschule befindet. Dieser ist bereits mit einer modernen Beleuchtungsanlage ausgestattet, sodass er in der Bewertung außer Acht
gelassen wurde. In den drei übrigen Gebäuden wurden nur die Unterrichtsbereiche einschließlich
der Turnhallen und dazu gehörige Nebenflächen betrachtet. Sämtliche Internatsflächen sowie die
Bereiche der Schulküche, die für die Versorgung der Schüler dient, wurden nicht näher untersucht.
Die so definierte relevante Bestandsanlage erstreckt sich daher im Altbau über eine Fläche von ca.
1660 m², im Turnhallenanbau über ca. 1330 m² und im zweiten Anbau („Würfel“) über ca.
1280 m². Alle drei Gebäude wurden meist zusammengefasst betrachtet, es handelt sich also um eine Gesamtfläche von 4270 m².
7
In Abbildung 1 und Abbildung 2 sind die Grundrisse des Altbaus mit den darin ausgewählten Räumen dargestellt. Die für das Monitoring einer energieeffizienten Beleuchtung dienenden Räume
wurden so ausgewählt, dass sie bezüglich der Orientierung, des Stockwerks und der Tageslichtversorgung unterschiedliche Charakteristika aufweisen.
Zu bemerken ist, dass die Klassenräume im Altbau mit ca. 32 m² im Vergleich zu Räumen anderer
Schulen relativ klein sind. Deshalb sind jedoch auch die Schülerzahlen mit ca. 20 Schülern pro
Klasse sehr gering, was Teil des Schulkonzeptes ist.
Haupteingang Podbielskiallee
Abbildung 1: Grundriss EG Altbau Königin-Luise-Stiftung und untersuchte Räume
8
Abbildung 2: Grundriss 1.OG Altbau Königin-Luise-Stiftung und untersuchte Räume
3.1.2 Anforderungen an die Beleuchtung in Schulen
Bei der Beleuchtung von Schulklassenräumen darf nach DIN EN 12464-1 der Wartungswert der
Beleuchtungsstärke Ēm im Bereich der Sehaufgabe von 300 lx nicht unterschritten werden. Zusätzlich wird für den Bereich der Wandtafeln ein Ēm von 500 lx gefordert. Diese Zusatzanforderung wird
jedoch von den Bestandsanlagen in vielen Fällen nicht erfüllt, weshalb bei der Neuplanung oft zusätzliche Leuchten integriert werden müssen. Dies kann zu höheren installierten Leistungen führen
als im Bestand. Ähnliche Probleme können in weiteren Bereichen des Schulgebäudes wie Verkehrsflächen oder Fachräumen auftreten, wenn diese vorher nicht normgerecht beleuchtet wurden.
9
3.1.3 Beleuchtung in der Königin-Luise-Schule
Tageslichtversorgung
Zur Beurteilung der Versorgung eines Raumes mit Tageslicht ist in DIN 5034-1 der Tageslichtquotient D wie folgt definiert:
D
Ep
Ea
100%
Ep
Beleuchtungsstärke in einem Punkt im Raum
Ea
Horizontalbeleuchtungsstärke bei vollkommen bedecktem Himmel im Freien ohne Verbauung
Der Tageslichtquotient hat im Falle des vollkommen bedeckten Himmels nach DIN 5034-1 für einen Punkt im Innenraum einen konstanten Wert. Bei der Ermittlung des Tageslichtquotienten ist darauf zu achten, dass bei der Messung im Innenraum keine weitere künstliche Lichtquelle vorhanden
ist. Die Beleuchtungsstärke im Freien sollte bei völlig unverbautem Himmel gemessen werden. Der
Himmelszustand bezüglich des vollkommen bedeckten Himmels sollte nach [DIN 5034-5] überprüft
werden. Beide Messungen der Beleuchtungsstärke müssen auf Grund der Dynamik des Tageslichts
zeitgleich erfolgen.
Zur Bewertung der Ergebnisse sind in der DIN V 18599-4 die in Tabelle 1 gegebenen Klassen für
den Tageslichtquotienten für den Rohbau festgelegt. Unter Berücksichtigung der Einflüsse der Verglasung, Versprossung, der Verschmutzung sowie des nicht senkrechten Lichteinfalls vermindern sich
die Werte für die reale Nutzung um ca. 50 %.
Tabelle 1: Klassifizierung für die Tageslichtversorgung über den Tageslichtquotient D
Klassifizierung
Tageslichtquotient D in %
für Rohbauöffnung nach DIN V 18599-4
Tageslichtquotient D in %
bei installierten Fenstern
gut
≥6
≥3
mittel
4–6
2–3
gering
2–4
1–2
keine
<2
<1
Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Verteilung des Tageslichtquotienten im Raum 007. Gemessen
wurde mit 1,5 m Rastermaß in einem 3x3 Raster auf den Schultischen, damit entspricht die Nutzebene etwa 0,72 m Höhe. Es ist eine deutliche Erhöhung des Tageslichtquotienten zu den Fenstern
hin zu erkennen. Jedoch zeigt das Diagramm auch, dass im größten Teil des Raumes nach
DIN V 18599-4 keine bzw. nur eine geringe Tageslichtversorgung stattfindet.
10
Fenster
Fenster
Tafel
0,5-1,0
1,0-1,5
1,5-2,0
2,0-2,5
2,5-3,0
Abbildung 3: Verteilung des Tageslichtquotienten in Raum 007
In Tabelle 2 sind die jeweils in der Raummitte ermittelten Werte des Tageslichtquotienten für alle
vier Klassenräume eingetragen.
Tabelle 2: Ermittelte Werte des Tageslichtquotienten in der Raummitte (Klassifizierung nach Tabelle 1)
Raum
Tageslichtquotient D in %
Tageslichtversorgung
007
1,1
gering
015
1,5
gering
026
3,1
gut
120
2,0
mittel
Die schon bei der Auswahl der Räume erwarteten Unterschiede sind deutlich zu sehen. Der nach
Nord-West ausgerichtete Raum 026 hat als einziger eine gute Tageslichtversorgung in der Mitte des
Raumes. Der Grund hierfür liegt im Wesentlichen an der relativ großen freien Fläche des Schulhofes vor den Fenstern und somit einer geringeren Verbauung. Im Vergleich dazu sind die anderen
Räume durch Vegetation und teilweise durch seitliche Verbauung verschattet. In Richtung Nord-Ost
(Räume 015 und 120) stehen einzelne große Bäume, die auch im 1. Obergeschoss noch für Verschattung sorgen. Der nach Süd-West orientierte Raum 007 ist wesentlich von großen alten Straßenbäumen verschattet. Diese Tatsachen haben zur Folge, dass in den meisten Räumen mit einem
hohen Energiebedarf für die künstliche Beleuchtung zu rechnen ist. Bei der Berechnung nach
DIN V 18599-4 ist die Tageslichtversorgung entsprechend zu berücksichtigen und führt auch dort
zu unterschiedlichem Energieaufwand für die Beleuchtung.
11
Bestandsanlage
In der bestehenden Beleuchtungsanlage finden sich in den Klassenräumen aller Gebäude vor allem
Rasterleuchten, in denen Leuchtstofflampen mit verlustarmen Vorschaltgeräten VVG installiert sind
(Abbildung 4). Abbildung 5 zeigt die Verteilung der Horizontalbeleuchtungsstärke auf der 0,75 m
Nutzebene in einem Klassenraum im Altbau mit Bestandanlage. Es zeigt sich, dass der in DIN EN
12464-1 geforderte Wert von 300 lx eingehalten wird. Der für die Vertikalbeleuchtungsstärke auf
der Tafel geforderte Wert von 500 lx wird mit dieser Anlage nicht erreicht. Eine zusätzliche Tafelbeleuchtung ist nur in Unterrichtsräumen des Turnhallenanbaus zu finden. Hier wurden Parabolscheinwerfer mit 60 W-Glühlampen installiert.
Abbildung 4: Rasterleuchte in Klassenräumen im Altbau
Fenster
Fenster
Tafel
300-325
325-350
350-375
375-400
Abbildung 5: Verteilung der Horizontalbeleuchtungsstärke im Klassenraum mit Bestandsanlage
In den Fluren des Altbaus werden diffus strahlende Hängeleuchten mit Glühlampen eingesetzt, die
bei Ausfall durch Energiesparlampen ersetzt werden (Abbildung 6). Die nötigen Wartungswerte der
Beleuchtungsstärke werden jedoch mit der bestehenden Anlage zum Teil nicht erreicht. So wurde
12
auf dem Boden direkt unter einer Leuchte eine Beleuchtungsstärke von 30 lx, zwischen zwei Leuchten sogar nur 7 lx gemessen. Gefordert sind für diese Verkehrswege nach DIN EN 12464-1 Wartungswerte der Beleuchtungsstärke von mindestens 100 lx. In den Fluren der beiden neueren Anbauten erreichen die dort verbauten T8-Leuchtstofflampen in Rasterleuchten im Betrieb Beleuchtungsstärken von über 200 lx. Hierbei handelt es sich um eine erhebliche Überdimensionierung.
Abbildung 6: Flurbeleuchtung im Altbau
Die beiden Turnhallen werden größtenteils mit T8-Leuchtstofflampen beleuchtet (Abbildung 7). In
der großen Turnhalle sind Leuchten mit stark streuender Abdeckung zu finden. Auch hier ist die Beleuchtungsstärke zu gering. Gemessen wurden 120 lx bis 130 lx, erforderlich sind mindestens
200 lx, für Sportarten mit kleinen Bällen wie Tischtennis oder Badminton sogar 300 lx. In den anderen Zonen der Gebäude gibt es eine Mischung aus Leuchtstofflampen mit VVG, Glühlampen und
Energiesparlampen. Die Umkleideräume, WCs sowie die Flure des Turnhallenanbaus sind bereits
mit Präsenzmeldern ausgestattet.
Die Mindestanforderungen nach DIN EN 12464-1 werden mit der Bestandsanlage in vielen Bereichen nicht erfüllt, was auch eine verminderte Beleuchtungsqualität bedeutet.
13
Abbildung 7: Beleuchtung in der Gymnastikhalle, Lampen mit unterschiedlichen Lichtfarben
Neuplanung der Beleuchtung
In den vier für das Monitoring ausgewählten Unterrichtsräumen wurde eine besonders energieeffiziente Beleuchtung installiert (Abbildung 8). In den Grundrissplänen in Abbildung 1 und Abbildung
2 sind diese Räume rot gekennzeichnet. Diese energieeffiziente Beleuchtung wurde mit vier direktstrahlenden Leuchten vom Typ 5041-RPX der Firma Trilux realisiert. Pro Leuchte wurde eine 35 W
T5-Lampe 840 mit dimmbarem EVG eingesetzt. Mit diesen Leuchten ist eine gleichmäßige und
energieeffiziente direkte Beleuchtung der Arbeitsebene möglich. Labormessungen ergaben einen
Leuchtenbetriebswirkungsgrad von LB ≈ 94 %. Die Regelung ist auf einen Sollwert von 300 lx in
der Raummitte programmiert. Zusätzlich kann bei Bedarf eine Tafelbeleuchtung manuell dazugeschaltet werden. Diese ist mit zwei Wallwasher-Leuchten mit je einer 80 W T5-Lampe 840 ausgeführt.
Die installierten Präsenzdetektoren sorgen für ein Ausschalten der Beleuchtung bei Abwesenheit
nach 10 Minuten. Die Tafelbeleuchtungen sind jedoch immer unabhängig vom Regelsystem versorgt und müssen manuell ein- und auch ausgeschaltet werden. Eine automatische Abschaltung findet hierbei nicht statt.
14
Abbildung 8: Neue energieeffiziente Beleuchtung im Klassenraum (Altbau), Simulation und Realraum
Elektronische Regelsysteme
Die Beleuchtungsanlage im Raum 120 ist mit einer vollautomatischen Regelung ausgestattet. Das
bedeutet, dass die Regelung bei zu geringen Beleuchtungsstärken und detektierter Anwesenheit die
Beleuchtungsanlage automatisch einschaltet und auf den Sollwert regelt. Bei ausreichendem Tageslicht oder bei Abwesenheit der Benutzer schaltet das System aus. Die Leuchten an der Fensterseite
und an der Wandseite werden jeweils unabhängig voneinander tageslichtabhängig geregelt.
In den Räumen 015 und 026 ist eine Halbautomatik realisiert, auch dort regelt das System die
künstliche Beleuchtung in Abhängigkeit vom Tageslicht auf die programmierte Beleuchtungsstärke.
Bei detektierter Abwesenheit der Nutzer oder längerfristiger Überschreitung der Sollwerte durch das
Tageslicht schaltet die Regelung die Beleuchtung ab. Ein automatisches Wiedereinschalten geschieht hierbei nicht, dies muss vom Nutzer angefordert werden.
Zum Vergleich ist im Raum 007 die Regelung völlig außer Betrieb gesetzt worden, um einen rein
manuell geschalteten Betrieb zu realisieren. Es findet dabei keine Präsenzüberwachung oder Anpassung an das Tageslicht statt. Dies entspricht also dem Betrieb einer herkömmlichen Beleuchtungsanlage.
15
3.1.4 Energetische Bewertung der Beleuchtungsanlage
Bestandsaufnahme – Zonierung des Schulgebäudes
Vor der energetischen Bilanzierung der Beleuchtung in der Königin-Luise-Schule nach
DIN V 18599-4 wurde das zu berechnende Gebäude zunächst in verschiedene Gebäudezonen geteilt. Bei Bedarf wurden diese noch in weitere Berechnungsbereiche unterteilt. Für jeden Bereich
bzw. jede Zone wurde der für die Bilanzierung nötige Endenergiebedarf einzeln ermittelt. Daraufhin
erfolgte die Ermittelung von Nutzungszonen nach [DIN V 18599-10]. Hier sind verschiedene Nutzungsprofile angegeben, in denen unter anderem der zeitliche Tageslichtbedarf sowie der Wartungswert der Beleuchtungsstärke berücksichtigt wird. Für die Königin-Luise-Schule wurden neun
Nutzungszonen ermittelt. Die flächenmäßige Aufteilung ist Tabelle 3 zu entnehmen.
Tabelle 3: Flächenmäßige Verteilung der Nutzungszonen
Nutzungszone
Fläche in m2
Klassenräume
2.171
Gruppenbüros
114
Einzelbüros
101
Turnhallen
527
Nebenflächen ohne Aufenthaltsraum
537
Verkehrsflächen
1.303
Bibliotheken
65
Lehrküche
90
WC- und Sanitärräume
174
Gesamt
3.613
Diese Nutzungszonen wurden nochmals anhand folgender, Abschnitt 5.5 der DIN V 18599-4 entnommenen Kriterien unterteilt:



Versorgung mit Tageslicht (Tageslicht oder kein Tageslicht)
Ausrichtung der Räume
Klassifizierung der Tageslichtversorgung
Die Tageslichtversorgung der einzelnen Räume, wurde bei der Bestandsaufnahme festgehalten. Die
Ausrichtung ist den Grundrissen der Schulgebäude zu entnehmen. Zur Ermittlung der Klassifizierung
der Tageslichtversorgung wurden in den Räumen 007, 015, 026 und 120 die Verteilung des Tageslichtquotienten D auf Höhe der Nutzebene hNe = 0,72 m gemessen und eine Klassifizierung
dieser Räume vorgenommen (siehe auch Tabelle 2). Unter Berücksichtigung der Ausrichtung, Verschattung, Verbauung und der Raumtiefe wurde anhand der gemessenen Werte die Klassifizierung
der Tageslichtversorgung in den anderen Räumen der Schule vereinfachend vorgenommen.
Da die drei Schulgebäude im Zusammenhang betrachtet wurden, war es vereinzelt nötig, den Berechnungsbereich einer Nutzungszone nochmals zu unterteilen. Dies war aufgrund der unterschiedlichen Höhe des Fenstersturzes über dem Fußboden sowie der unterschiedlichen Verglasung zwi16
schen Altbau und den neueren Anbauten, aber auch aufgrund der unterschiedlichen Ausstattung
mit Präsenzmeldern nötig.
Nach Unterteilung der Nutzungszonen nach allen oben genannten Kriterien ergaben sich insgesamt
37 Berechnungsbereiche (siehe Tabelle 4). Der DIN V 18599-10 war für jede Nutzungszone ein
entsprechendes Nutzungsprofil zu entnehmen.
Tabelle 4: Berechnungsbereiche der Schulgebäude nach DIN V 18599-10
LfdNutzungszone
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
Klassenräume
Nutzungsprofil
Ausrichtung
der Räume
Klassifizierung der
Tageslichtversorgung
8
SW
Gering
Mittel
Gut
Gering
Gut
Gering
Gut
Gering
SO
NW
NO
9
10
Mittel
Gut
11
12
Gruppenbüros
2
SW
NW
Gut
Gut
13
14
15
Einzelbüros
1
SW
SO
Gering
Gut
Gut
16
17
Turnhallen
31
NW
NO
Mittel
Mittel
18
19
20
21
22
23
24
25
Nebenflächen
ohne Aufenthaltsraum
18
SW
NO
keine
Gering
Gut
Gering
Gut
Gering
Gut
Gut
26
27
28
29
Verkehrsflächen
19
SW
SO
NO
keine
Gut
Gering
Gut
30
31
Bibliotheken
28
SW
SO
Gut
Gut
32
Lehrküche
14*)
NW
Gut
33
34
35
36
37
WC- und
Sanitärräume
16
SW
SO
NW
NO
keine
Gering
Gering
Gering
Gering
SO
NW
*)
Zum Teil wurden Angaben aus dem Nutzungsprofil 8 (Klassenräume) verwendet, wenn diese eher der tatsächlichen Nutzung entsprachen.
17
Bilanzierungsergebnisse der Bestandsanlage
Die Bilanzierung der bestehenden Beleuchtungsanlage der Königin-Luise-Schule ergibt nach dem
Verfahren der DIN V 18599-4 folgende Ergebnisse:
Tabelle 5: Endenergiebedarf der Bestandsanlage
Nutzungszone
Endenergiebedarf in MWh/a
Klassenräume (inkl. Tafelbeleuchtung)
25,1
Klassenräume (ohne Tafelbeleuchtung)
23,1
Gruppenbüros
1,47
Einzelbüros
1,00
Turnhallen
28,4
Nebenflächen ohne Aufenthaltsräume
4,14
Verkehrsflächen
13,1
Bibliotheken
1,22
Lehrküche
0,53
WC- und Sanitärräume
1,70
Endenergiebedarf der gesamten Schule
(inkl. Tafelbeleuchtung)
76,6
Endenergiebedarf der gesamten Schule
(ohne Tafelbeleuchtung)
74,5
Der Endenergiebedarf der gesamten Schule beträgt nach Tabelle 5 demzufolge 76,6 MWh pro
Jahr, wenn die Tafelbeleuchtung in den Klassenräumen berücksichtigt wird. Ohne Tafelbeleuchtung
beträgt der Jahresendenergiebedarf der Schule 74,5 MWh/a.
Die Bilanzierung ohne Tafelbeleuchtung ist für den Vergleich mit dem EnEV-Referenzgebäude wichtig, da dort keine Tafelbeleuchtung berücksichtigt wird, solange diese nicht zur Allgemeinbeleuchtung des Raumes benötigt wird. Für den Vergleich mit der Neuplanung der Beleuchtung soll die Tafelbeleuchtung jedoch berücksichtigt werden.
Endenergiebedarf des Referenzgebäudes
Bei der Berechnung des Endenergiebedarfes des Referenzgebäudes wurde wie in der EnEV 2009
Anlage 2 Tabelle 1 gefordert mit direkt/indirekter Beleuchtungsart, für alle Bereiche mit stabförmigen Leuchtstofflampen mit EVG sowie ohne Blend- oder Sonnenschutzsysteme gerechnet. Die Regelungstechniken wurden entsprechend der Nutzungszone angenommen. So ist z. B. für Schulklassenräume eine manuelle Präsenzkontrolle mit Konstantlichtregelung ohne tageslichtabhängige Regelung vorgesehen. Die berechneten Ergebnisse sind Tabelle 6 zu entnehmen. Der Endenergiebedarf
des Referenzgebäudes beträgt demnach 35,2 MWh pro Jahr.
18
Tabelle 6: Endenergiebedarf des Referenzgebäudes
Nutzungszone
Endenergiebedarf in MWh/a
Klassenräume (ohne Tafelbeleuchtung)
13,4
Gruppenbüros
1,78
Einzelbüros
1,88
Turnhallen
11,5
Nebenflächen ohne Aufenthaltsräume
0,56
Verkehrsflächen
3,68
Bibliotheken
0,70
Lehrküche
0,62
WC- und Sanitärräume
1,03
Endenergiebedarf der gesamten Schule
(ohne Tafelbeleuchtung)
35,2
Endenergiebedarf der Neuplanung
Für die Neuplanung der Beleuchtung ist die Installation von T5-Leuchtstofflampen mit elektronischem Vorschaltgerät (EVGs) in allen Räumen geplant. Diese verursachen geringere elektrische Verluste als Leuchten mit herkömmlichen T8-Leuchtstofflampen und VVGs. Um sicherzustellen, dass die
erforderlichen Wartungswerte der Beleuchtungsstärke erreicht, aber auch nicht unnötig viele Leuchten installiert werden, wurden in Abhängigkeit der Anforderungen exemplarische Räume mit einer
Lichtplanungssoftware berechnet. Die für die bereits umgesetzte neue Beleuchtungsanlage in den
vier Beispielräumen ausgesuchten Lampen und Leuchten wurden für die weitere Planung der Klassenräume übernommen. Für die Bereiche außerhalb der Klassenräume wurden andere, entsprechend geeignete Leuchten ausgewählt. Die Anordnung der Leuchten sowie die Leistung der Leuchtmittel wurde variiert, bis die nach DIN EN 12464-1 erforderlichen Werte für die Beleuchtungsstärke
und Gleichmäßigkeit erreicht wurden.
In allen Klassenräumen ist eine Tafelbeleuchtung vorgesehen. Es wurde bei der Berechnung angenommen, dass diese immer dann eingeschaltet ist, wenn auch die Allgemeinbeleuchtung in Betrieb
ist. Dies entspricht wahrscheinlich nicht dem tatsächlichen Nutzungsprofil der Tafelbeleuchtung. Da
dieses jedoch unbekannt war, konnte nur mit einer Näherung gerechnet werden.
Alle Räume werden in der Planung mit Präsenzmeldern ausgestattet. Bei WC- und Sanitärräumen in
Nichtwohngebäuden werden diese nach Tabelle 22 der DIN V 18599-4 allerdings nicht berücksichtigt. Alle Klassenräume, tageslichtversorgte Verkehrsflächen, Büros, Bibliotheken, Nebenflächen
ohne Aufenthaltsraum, die Lehrküche sowie die beiden Turnhallen werden zudem mit einer tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet, die automatisch ausschaltet. WC- und Sanitärflächen werden hingegen nicht mit einer tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet. Es wird kein Sonnenoder Blendschutz berücksichtigt.
19
Die Bilanzierung nach dem Verfahren der DIN V 18599-4 für die neu geplante Beleuchtungsanlage
der Königin-Luise-Schule ergibt die in Tabelle 7 zusammengestellten Ergebnisse.
Tabelle 7: Endenergiebedarf der Neuplanung
Nutzungszone
Endenergiebedarf in MWh/a
Klassenräume (inkl. Tafelbeleuchtung)
11,1
Klassenräume (ohne Tafelbeleuchtung)
6,30
Gruppenbüros
1,16
Einzelbüros
1,18
Turnhallen
10,1
Nebenflächen ohne Aufenthaltsräume
0,55
Verkehrsflächen
4,57
Bibliotheken
0,07
Lehrküche
0,10
WC- und Sanitärräume
0,81
Endenergiebedarf der gesamten Schule
(inkl. Tafelbeleuchtung)
29,6
Endenergiebedarf der gesamten Schule
(ohne Tafelbeleuchtung)
24,8
Der Endenergiebedarf der gesamten Schule beträgt mit der neu geplanten Beleuchtungsanlage
demzufolge 29,7 MWh pro Jahr, wenn die Tafelbeleuchtung in den Klassenräumen berücksichtigt
wird. Ohne Tafelbeleuchtung beträgt der Jahresendenergiebedarf der Schule 24,8 MWh/a. Daraus
ergibt sich ein relativer Jahresenergiebedarf ohne Tafelbeleuchtung von 6,9 kWh/(m2a) und mit
Tafelbeleuchtung 8,2 kWh/(m2a).
Vergleich von Bestandsanlage, Referenzgebäude und Neuplanung
Mit einer Sanierung der Beleuchtungsanlage im gesamten Schulgebäude geht eine deutliche Absenkung der installierten Leistungen einher wie Abbildung 9 zeigt. Dabei treten die Unterschiede
zwischen Neuplanung und Referenzgebäude zu Tage. Die installierten Leistungen sind ohne Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung annähernd gleich. Die Installation einer normgerechten Tafelbeleuchtung bedeutet eine erhebliche um 20 % höhere installierte Leistung.
20
120
60
100
50
80
40
60
30
Prozent
Installierte Leistung in kW
70
40
20
20
10
0
0
Bestandsanlage
Neuplanung
mit Tafelbeleuchtung
Referenzgebäude
ohne Tafelbeleuchtung
Abbildung 9: Installierte Leistung der Bestandsanlage, der Neuplanung und des Referenzgebäudes
Abbildung 10 zeigt den jährlichen Endenergiebedarf der Bestandsanlage, der Neuplanung sowie
des Referenzgebäudes in MWh/a – einmal mit und einmal ohne Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung in den Klassenräumen. Dabei wird deutlich, dass die Bestandsanlage den für das Referenzgebäude nach EnEV 2009 zulässigen Wert von 35,2 MWh/a weit überschreitet. Der Endenergiebedarf der Bestandsanlage nach DIN V 18599-4 beträgt mit Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung
76,6 MWh/a (100%) und 74,5 MWh/a ohne Tafelbeleuchtung und ist damit mehr als doppelt so
hoch wie der Endenergiebedarf des Referenzgebäudes.
Die Neuplanung hingegen unterschreitet diese Werte mit einem Jahresendenergiebedarf von
24,8 MWh/a (ohne Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung) deutlich und liegt damit 29 % unter
dem jährlichen Endenergiebedarf des Referenzgebäudes. Dies ist möglich, da gegenüber dem Referenzgebäude besonders effiziente Leuchten mit direkter Beleuchtungsart und tageslichtabhängiger
Regelung eingeplant wurden.
120
90
100
70
80
60
50
60
40
Prozent
Endenergiebedarf in MWh/a
80
40
30
20
20
10
0
0
Bestandsanlage
Neuplanung
mit Tafelbeleuchtung
Referenzgebäude
ohne Tafelbeleuchtung
Abbildung 10: Endenergiebedarf der Bestandsanlage, der Neuplanung und des Referenzgebäudes
21
Der Endenergiebedarf der neu geplanten Beleuchtung beträgt ohne die Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung der Klassenräume nur 33 % des Endenergiebedarfes der Bestandsanlage. Mit der Tafelbeleuchtung sind es 39 %. Es besteht also ein erhebliches Energieeinsparpotenzial von 61 %, das
durch eine Sanierung der gesamten Beleuchtungsanlage nach der Neuplanung genutzt werden
könnte. Gleichzeitig würde in vielen Bereichen die Beleuchtungsqualität gesteigert (z. B. Tafelbeleuchtung). Die Über- und Unterinstallationen bei der Flurbeleuchtung wären damit behoben, wodurch die Werte der DIN EN 12464-1 wieder eingehalten würden.
Abbildung 11 demonstriert den Anteil der einzelnen Maßnahmen an der Energieeinsparung zwischen der Bestandsanlage und der derzeitigen Neuplanung. Den größten Anteil weisen die effizienten Lampen und Leuchten auf. Sie machen weit über die Hälfte der Einsparungen aus. Beinahe ein
Drittel der Einsparungen wird allein durch die Installation der Präsenzmelder erzielt. Diese sind damit für die Energieeffizienz im Bereich der Beleuchtung von großer Bedeutung. Die tageslichtabhängige Regelung kann lediglich 10 % zur Reduzierung des Endenergiebedarfes beitragen.
Abbildung 11: Anteil der Maßnahmen zur Effizienzsteigerung an dem Gesamteinsparpotenzial der
Neuplanung gegenüber der Bestandsanlage, bei Berücksichtigung der Tafelbeleuchtung
3.1.5 Monitoring der Schulbeleuchtung
Dezentrale Messtechnik
Die Messung des Energieumsatzes der Beleuchtungsanlagen musste ohne Eingriff in die elektrische
Installation erfolgen. Dabei sollten die Messgeräte über einen längeren Zeitraum unabhängig von
der Netzversorgung regelmäßig Messwerte speichern. Dies erforderte ein kleines, flexibel einzusetzendes Messsystem, das kabellos und somit ohne Eingriff in die örtlichen Gegebenheiten installiert
werden konnte. Dazu wurde das SPOT System (small programmable object technology) der Firma
Sun gewählt, welches neben einer Grundausstattung an Hardware, wie z. B. Funkkommunikation,
Akkutechnik, A/D-Umsetzer eine individuelle Java-Programmierbarkeit bietet.
22
Auf Basis dieser Sun SPOTs wurde hardwareseitig eine universelle Platine zur Aufnahme verschiedener Sensoren entwickelt. Über einen 30-Pin Stecker sind alle analogen und digitalen Ein- und Ausgänge des Mikroprozessors mit der Sensorplatine verbunden. Mit dieser Platine können durch unterschiedliche Sensor- und Bauteilbestückung verschiedene Typen von Messknoten aufgebaut werden: Arbeitsplatzsensoren für die Messung mehrerer Beleuchtungsstärken und melatoninwirksamen
Bestrahlungsstärken (Abbildung 12), Dreibereichsfarbsensoren oder Dimmstufensensoren.
Sensor für melatonin
wirksame
Bestrahlungsstärke
Sensor für horizontale
Beleuchtungsstärke
Sensor für vertikale
Beleuchtungsstärke
Abbildung 12: Sun SPOT mit Sensorplatine für Arbeitsplätze
Die Photoströme der einzelnen Sensoren eines Messknotens werden durch eine OPV-Schaltung mit
einstellbarer Verstärkung in Spannungen gewandelt. Als Messwerte werden diese Spannungen über
einen 10bit AD-Umsetzer aufgenommen und im internen Speicher der Messknoten festgehalten.
Das Auslesen und Übertragen der Daten in eine Datenbank geschieht über eine Funkverbindung
mit einem PC.
Im Labor ermittelte Kalibrierungsfaktoren ermöglichten die Bestimmung der Messwerte aus den
Rohwerten des AD-Umsetzers. Nach einer einmaligen Vermessung der Beleuchtungsstärkeverteilung
durch die künstliche Beleuchtungsanlage können durch Kombination der Messungen der elektrischen Leistung und der Beleuchtungsstärken im Raum die Anteile des Tageslichtes und der künstlichen Beleuchtung an der Gesamtbeleuchtung getrennt bestimmt werden.
Mit diesem System war es nun möglich, über einen Zeitraum von ca. einem Monat, in einem
5-Minuten-Intervall die Messwerte der einzelnen Sensoren aufzunehmen und zu speichern. Danach
waren die Werte auszulesen und die Akkus zu wechseln.
Für den Dimmstufensensor wurde eine Hamamatsu S1087 Photodiode gewählt, die über eine grobe V(λ)-Voranpassung verfügt. Dies ist in diesem Fall ausreichend, da nur relativ gemessen wird. Eine Kalibrierung erfolgt über die Ermittlung des höchsten Messwerts bei einer Dimmstufe von 100 %.
Für Leuchtstofflampen wurden spezielle Clips verwendet, mit denen der Sensor fixiert und auf die
Lampenoberfläche ausgerichtet wurde. Aus den relativ gemessenen Dimmstufen lässt sich über die
in Abbildung 13 gezeigte im Labor messtechnisch ermittelte Dimmkennlinie von Leuchtstofflampen
die relative Leistungsaufnahme berechnen. Über die bekannte maximale Leistungsaufnahme der zugehörigen Leuchtengruppe lässt sich die zum jeweiligen Zeitpunkt aufgenommene absolute elektrische Leistung ohne Eingriff in die elektrische Installation ermitteln.
23
100
Valuco Active
5041
universelle Dimmkennlinie
Iph,rel in %
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Prel in %
Abbildung 13: Kennlinie zur Ermittlung des Leitungsumsatzes von Leuchtstofflampen über die Messung
der relativen Dimmstufe
In jedem der vier untersuchten Räume wurde ein Dimmstufensensor in der abgehängten Decke installiert, der über drei Messleitungen mit den Sensoren am jeweiligen Lampenkreis verbunden wurde. Nun konnten die Dimmstufen der Wand- und Fensterseite sowie der geschalteten Tafelbeleuchtung getrennt gemessen werden.
Auswertung
Mittels der dezentralen Messtechnik wurden in den vier untersuchten Räumen die Dimmzustände
der einzelnen Lampenkreise im 5-Minutentakt von November 2009 bis Oktober 2010 ermittelt. Aus
den gewonnenen Messwerten lässt sich der Energieumsatz sowohl für die Raumbeleuchtung als
auch für die Tafelbeleuchtung für einzelne Monate getrennt ermitteln. Abbildung 14 bis Abbildung
17 zeigen die monatlichen Energieumsätze für die vier Räume im gesamten Messzeitraum. Dabei
werden die Energieumsätze der Leuchtenreihen auf der Fenster- und Wandseite sowie der Tafelbeleuchtung getrennt dargestellt.
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Wandseite
Apr
Mai
Fensterseite
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Tafelbeleuchtung
Abbildung 14: Energieumsatz im Raum 007; Nov 2009-Okt 2010
24
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Wandseite
Apr
Mai
Fensterseite
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Tafelbeleuchtung
Abbildung 15: Energieumsatz im Raum 015; Nov 2009-Okt 2010
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Wandseite
Apr
Mai
Fensterseite
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Tafelbeleuchtung
Abbildung 16: Energieumsatz im Raum 026; Nov 2009-Okt 2010
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Wandseite
Apr
Mai
Fensterseite
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Tafelbeleuchtung
Abbildung 17: Energieumsatz im Raum 120; Nov 2009-Okt 2010
25
ADC-Rohwerte
Beim Vergleich der beiden gering mit Tageslicht versorgten Räume 007 und 015 zeigt sich das Einsparpotenzial durch eine tageslichtabhängige Regelung und den Einsatz der Präsenzmelder, die bei
Abwesenheit automatisch ausschalten. Dazu sind beispielhaft in Abbildung 18 die Messwerte im
Raum 007 vom Dezember 2010 gezeigt. Aus den Schaltzuständen ist die Nutzungszeit an den Wochentagen gut zu erkennen. Weiterhin ist zu sehen, dass über das Wochenende 4./5. 12. 2010
vergessen wurde, das Licht auszuschalten, was sich erheblich auf den Energieumsatz auswirkt. Da in
diesem Raum keine Präsenzüberwachung statt fand, schaltete die Anlage auch nicht automatisch
aus.
01.12.10
05.12.10
09.12.10
13.12.10
17.12.10
Abbildung 18: Schaltzustände der Beleuchtungsanlage im Raum 007 im Dezember 2010;
durchgehend eingeschaltete Beleuchtung am Wochenende
Vergleicht man die beiden mit Halbautomatik (automatisch aus, manuell ein) ausgestatteten Räume 015 und 026, dann wird der geringere Energiebedarf für die Raumbeleuchtung im Raum 026
erkennbar. Dies ist auf die deutlich bessere Tageslichtversorgung zurückzuführen. Die Nutzer schalteten dort bei Bedarf meist lediglich die Tafelbeleuchtung ein, die Raumbeleuchtung wurde im Wesentlichen nur in den tageslichtarmen Monaten November bis Januar eingeschaltet.
Weiterhin ist auffällig, dass die Beleuchtung im Raum 120 im Vergleich zum Raum 015 einen ähnlich hohen Energieumsatz aufweist. Der Raum 120 ist mit einer Vollautomatik ausgestattet, die das
Licht bei zu geringen Beleuchtungsstärken wieder einschaltet, und weist nur eine wenig bessere Tageslichtversorgung auf als Raum 015.
Bei der Auswertung der monatlichen Energieumsätze ist zu beachten, dass durch Ferienzeiten und
gesetzliche Feiertage die Nutzungstage der Klassenräume stark schwanken. In Abbildung 19 sind
die Schultage pro Monat für den Beobachtungszeitraum aufgetragen. Besonders deutlich sind die
Sommerferien im Juli und August, was auch den geringen bzw. gar nicht vorhandenen Energieumsatz in diesen Monaten erklärt.
26
30
Schultage pro Monat
25
20
15
10
5
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Abbildung 19: Anzahl der Schultage pro Monat; Nov 2009-Okt 2010
Tabelle 8 und Tabelle 9 geben zusammengefasst den Energieumsatz pro Jahr und die Nutzungszeiten der elektrischen Beleuchtungsanlage in den vier untersuchten Klassenräumen wieder.
Tabelle 8: Energieumsatz pro Jahr in kWh/a im Zeitraum November 2009-Oktober 2010
Raum
Regelung
Raumbeleuchtung
Gesamt (Wand- + Fensterseite)
Tafelbeleuchtung
007
manuell
108 (54 + 54)
37
015
halbautomatisch
29 (17 + 12)
27
026
halbautomatisch
8 (5 + 3)
36
120
vollautomatisch
23 (16 + 7)
32
Tabelle 9: Nutzungszeit der Beleuchtungsanlage in h im Zeitraum November 2009-Oktober 2010
Raum
Wandseite
Fensterseite
Tafelbeleuchtung
007
704
704
210
015
184
171
153
026
81
78
205
120
267
128
182
27
In Tabelle 10 sind zum Vergleich für einen Klassenraum mit geringer Tageslichtversorgung (z. B.
Raum 007 und 015) die verschiedenen berechneten und messtechnisch ermittelten Werte für den
Energieumsatz der Raumbeleuchtung eingetragen. Der Wert für die Neuplanung entspricht dem in
Raum 015 messtechnisch ermittelten Wert. Für die Bestandsanlage wurden die aus dem manuell
geschalteten Raum 007 (Pinst. = 154 W) messtechnisch gewonnenen Nutzungszeiten zugrunde gelegt und mit der höheren installierten Leistung der Bestandsanlage (Pinst. = 360 W) verrechnet.
Tabelle 10: Vergleich des Energieaufwands für die Raumbeleuchtung in einem Klassenraum mit geringer
Tageslichtversorgung
nach DIN V 18599-4
berechneter Energieumsatz
in kWh/a
ermittelter Energieumsatz
in kWh/a
Bestandsanlage
339
253
Referenzgebäude
189
-
Neuplanung
89
29
Es zeigt sich, dass die berechneten Ergebnisse sowohl der Bestandsanlage als auch der optimierten
Beleuchtungsanlage höher liegen als die im Untersuchungszeitraum gemessenen Werte für den
Energieumsatz. Die in den Profilen der DIN V 18599-10 hinterlegten Werte sind Näherungen bzw.
gemittelte Werte, die nicht zwingend für einen speziellen Klassenraum in einem speziellen Zeitraum
gelten müssen.
Um die Ergebnisse des ersten Jahres zu validieren, wurden die Messungen in den Räumen 007,
015, und 026 bis zum Juni 2011 fortgesetzt. In Abbildung 20 bis Abbildung 22 zeigt sich, dass die
Werte von einem Jahr zum anderen erheblich schwanken können, die sich aus den Vergleichen ergebenden Verhältnisse zueinander bleiben aber im Grundsatz bestehen. Insgesamt wurde in allen
Räumen im Winter 2010/11 mehr Energie für die Beleuchtung benötigt.
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Wandseite
Jul
Aug
Sep
Fensterseite
Okt
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Tafelbeleuchtung
Abbildung 20: Energieumsatz im Raum 007; Nov 2009-Jun 2011
28
Apr
Mai
Jun
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Wandseite
Aug Sep
Okt
Fensterseite
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Apr
Mai
Jun
Tafelbeleuchtung
Abbildung 21: Energieumsatz im Raum 015; Nov 2009-Jun 2011
10
Energieumsatz in kWh/M
8
6
4
2
0
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Wandseite
Jul
Aug
Sep
Fensterseite
Okt
Nov
Dez
Jan
Feb
Mrz
Tafelbeleuchtung
Abbildung 22: Energieumsatz im Raum 026; Nov 2009-Jun 2011
29
3.1.6 Zusammenfassende Betrachtung zur Schulbeleuchtung
Durch die Berechnung des Endenergiebedarfs der Bestandsanlage, des Referenzgebäudes und einer Neuplanung konnte das erhebliche Einsparpotenzial aufgezeigt werden, das durch eine Sanierung der Beleuchtungsanlage freigelegt werden kann. Die Neuplanung benötigt im Mittel etwa zwei
Drittel weniger Energie als die Bestandsanlage. Die Langzeitmessungen ergaben sogar noch niedrigere Werte. Dabei unterschreiten die Werte der Neuplanung die des Referenzgebäudes um etwa
30 %. Dies kann durch die direkte Beleuchtungsart, die Nutzung von T5-Lampen und besonders effizienter Leuchten sowie den Einsatz einer tageslichtabhängigen Regelung erklärt werden.
Das Monitoring ermöglichte, die unterschiedlichen Einflüsse auf den Energieumsatz zu bewerten.
Durch die Kombination von tageslichtabhängiger Regelung mit Präsenzmeldern konnte der Energieumsatz im Vergleich zu einem manuell geschalteten Betrieb auf etwa ein Viertel reduziert werden.
Beim Vergleich der Räume mit unterschiedlicher Tageslichtversorgung stellte sich ein ähnlich großes
Verhältnis heraus. Das heißt, im gut mit Tageslicht versorgten Raum wurde nur etwa ein Viertel der
Energie für die Raumbeleuchtung benötigt wie im gering bis gar nicht tageslichtversorgten Raum.
Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Tafelbeleuchtung teilweise zur Raumbeleuchtung beiträgt,
sodass im gut mit Tageslicht versorgten Raum bis auf die Wintermonate fast ausschließlich die Tafelbeleuchtung genutzt wurde. Dies erklärt auch, dass die Unterschiede im Energieumsatz der Tafelbeleuchtung zwischen den vier Räumen weniger gravierend ausfallen. Die Art der Regelung, also
ob die Beleuchtungsanlage automatisch ein- und ausschaltet oder nur ausschaltet, ergab in dieser
Untersuchung keinen großen Unterschied.
Ergänzend muss hinzugefügt werden, dass die Aussagen, die aus der Messung des Energiebedarfs
der Beleuchtung von vier Räumen über ein oder zwei Jahre hervorgehen, für die Allgemeinheit nur
mit Einschränkungen gelten können. Mit erheblich größerem Aufwand könnten derartige Untersuchungen in einer Vielzahl von Räumen in mehreren Schulen über mehrere Jahre belastbarere Zahlenwerte ergeben. Die hier getroffenen Aussagen spiegeln jedoch die korrekten Größenordnungen
wider und zeigen exemplarisch, wie hoch die Energieeinsparungen vor allem durch eine gute Tageslichtversorgung und eine gute geregelte Beleuchtungsanlage liegen können.
Grundsätzlich ist das Auslassen der Tafelbeleuchtung bei der Berechnung des Referenzgebäudes zu
hinterfragen. In DIN EN 12464-1 wird eine entsprechende Beleuchtung der vertikalen Flächen gefordert, sie muss also für eine normgerechte Beleuchtung berücksichtigt werden. In dieser Untersuchung ergab sich unter Annahme derselben Betriebszeiten wie die Allgemeinbeleuchtung ein Mehraufwand des jährlichen Endenergiebedarfs von 16 %, der so nicht vernachlässigt werden kann. In
zukünftigen Überarbeitungen der DIN V 18599-4 sollte dies berücksichtigt werden.
Weiterhin wäre es sinnvoll, basierend auf der DIN V 18599-4 Mindestanforderungen für den Betrieb von bestehenden Beleuchtungsanlagen zu formulieren, wonach Anlagen, deren Endenergiebedarf die Werte des Referenzgebäudes um einen festzulegenden Faktor überschreiten, außer Betrieb
genommen bzw. saniert werden müssten. Gleichzeitig sind Festlegungen nötig, die Einhaltung der
DIN EN 12464-1 bei Inbetriebnahme zu überprüfen, um Unter- und Überinstallationen festzustellen
und zu beheben.
30
3.2 Ausstellungsräume in Museen
Ein weiteres Beispiel zur Demonstrierung der Möglichkeiten zur Energieeinsparung durch moderne
Beleuchtungsanlagen mit kombinierter Tageslichtnutzung ist die Museumsbeleuchtung. Hier ist ein
eindeutiger Trend zur energieeffizienten künstlichen Beleuchtung mit LEDs und vermehrten Beleuchtung mit Tageslicht zu erkennen. Neben den besonders hohen Anforderungen an die Beleuchtungsqualität ist dabei aber auch vorrangig der Schutz der Ausstellungsobjekte vor optischer Strahlung
vor allem im UV- und kurzwelligen sichtbaren Wellenlängenbereich zu beachten. Aus diesem
Grund trat in der Vergangenheit die Energieeffizienz bei der Museumsbeleuchtung oft in den Hintergrund. Durch den Einsatz moderner LED-Lösungen ist nun erstmals eine hohe Beleuchtungsqualität
und Energieeffizienz bei gleichzeitiger Verbesserung des Objektschutzes möglich.
3.2.1 Anforderungen an die Beleuchtung in Museen
Die für die Innenraumbeleuchtung in vielen Bereichen maßgebliche DIN EN 12464-1 gibt für die
Beleuchtung von Ausstellungsräumen in Museen keinerlei Werte vor. Es wird lediglich darauf hingewiesen, dass die Beleuchtung sich an den Ausstellungsanforderungen orientieren muss und bei
lichtempfindlichen Objekten der Schutz vor optischer Strahlung als höchste Priorität zu beachten sei.
Beleuchtungsstärke
In Teil 10 der zur Berechnung des Jahresendenergiebedarfs dienenden DIN V 18599 wird für Ausstellungsräume in Museen eine mittlere Beleuchtungsstärke von 200 lx auf einer Nutzebene von
0,8 m angesetzt. Dieser Wert ist in der Regel für die Beleuchtungsplanung nicht geeignet, da in den
meisten Ausstellungsräumen vor allem vertikale Beleuchtungsstärken auf den Objekten relevant
sind, die auf unterschiedlichen Höhen angebracht sein können.
[CIE 157] gibt die in Tabelle 11 eingetragenen Werte für die maximale Beleuchtungsstärke und die
maximale Belichtung (Beleuchtungsstärke über die Beleuchtungsdauer integriert) für verschiedene
Klassen von Ausstellungsobjekten vor. Dabei ist jedoch nicht definiert, mit welcher spektralen Strahlungsverteilung diese Beleuchtungsstärken realisiert werden. Somit ist bei Einhaltung dieser Werte
nicht zwingend sicher gestellt, dass dem Objektschutz genüge getan ist. Vielmehr sollten diese Zahlen als Empfehlungen betrachtet werden, der eine weitere Untersuchung der Beleuchtung bezüglich
ihres Objektschädigungspotenzials folgen muss.
31
Tabelle 11: maximale Beleuchtungsstärke und maximale jährliche Belichtung für verschiedene
Materialklassen nach CIE 157
Materialklasse
maximale
Beleuchtungsstärke [lx]
maximale Belichtung [lx h/a]
Unempfindlich
keine Begrenzung
keine Begrenzung
Niedrige Empfindlichkeit
200
600.000
Mittlere Empfindlichkeit
50
150.000
Hohe Empfindlichkeit
50
15.000
Objektschutz
Nach [Aydınlı u.a., 1983] können vereinfachend zwei unterschiedliche Verteilungen der relativen
spektralen Objektempfindlichkeit s()dm,rel für zeitungspapierähnliche und andere Objekte, wie z. B.
Ölfarben oder Textilien, angenommen werden. In Abbildung 23 sind diese zusammen mit der relativen spektralen Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges für Tagessehen V() aufgetragen. Die
Normierung auf 300 nm erfolgt auf der Tatsache, dass kleinere Wellenlängen weder durch Tageslicht noch durch künstliche Beleuchtung im Museum auftreten können.
1,0
s()dm,rel (b=0,012)
s()dm,rel (b=0,038)
V() bzw. s()dm,rel
0,8
V()
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
 in nm
Abbildung 23: Relative spektrale Objektempfindlichkeit s()dm,rel mit b = 0,038 für zeitungspapierähnliche
Objekte und b = 0,012 für andere Objekte sowie relative spektrale
Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges für Tagessehen V()
Es wird deutlich, dass bei Lichtquellen weißer Lichtfarbe mit höherem Blauanteil bei gleicher, mit
V() gewichteten, Beleuchtungsstärke mit einer höheren Schädigung zu rechnen ist. Dies sollte bei
der Auswahl der ähnlichsten Farbtemperatur Tcp beachtet werden. Dabei gilt, dass mit steigender
32
ähnlichster Farbtemperatur zwingend auch der Blauanteil relativ zum Rot- und Gelbanteil steigen
muss.
Zum Vergleich der Schädigungspotentiale verschiedener Lichtquellen kann der auf die Beleuchtungsstärke bezogene Faktor p (in mW / lm) zugrunde gelegt werden [Aydınlı u.a., 1983].

p
mW 2
1000
 S ( )  s( ) dm,rel  d
W 1
780
K m   S ( ) V ( )  d
380
mit
S(): relative spektrale Zusammensetzung der Strahlung (Strahlungsfunktion) der Lichtquelle
und Km = 683 lm/W
In der Praxis ist es vorteilhaft ein relatives Schädigungspotential prel zu bestimmen, indem das ermittelte Schädigungspotential einer Lichtquelle auf das Schädigungspotential eines in vielen Museen
noch verbauten typischen Halogenglühlampenstrahlers (HGL-Strahler) ohne UV-Schutz mit einer
ähnlichsten Farbtemperatur von Tcp = 2800 K bezogen wird (Abbildung 24).
prel 
p
pHalo genglühlampe
1,0
0,8
S()
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
 in nm
Abbildung 24: Relative spektrale Strahlungsfunktion S() des Bezugs-HGL-Strahlers mit ähnlichster
Farbtemperatur Tcp = 2800 K
Die in Tabelle 11 eingetragenen Werte nach CIE 157 berücksichtigen bisher nicht den Typ der
Lichtquelle. Es ist anzunehmen, dass diese Werte für herkömmliche HGL-Strahler (Tcp = 2800 K)
gelten. Ist nun der relative Schädigungsfaktor einer anderen Lichtquelle bekannt, können damit die
für diese Lichtquelle geltenden Grenzwerte umgerechnet werden.
33
Farbwiedergabe
Eine sehr gute Farbwiedergabe der Beleuchtung ist in Ausstellungsräumen besonders wichtig, vor
allem, wenn dort farbige Objekte wie Öl-Gemälde, Aquarelle oder ähnliches zu sehen sind. Zum
Vergleich verschiedener Lichtquellen dient derzeit das in [DIN 6169-2] definierte Bewertungssystem
mit 14 Testfarben zur Bestimmung der speziellen Farbwiedergabeindizes Ri und des Mittelwertes der
ersten acht Testfarben für den allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra. Neben dem allgemeinen Farbwiedergabeindex, bei dem die gesättigten Farben außen vor bleiben, ist vor allem der spezielle
Farbwiedergabeindex R9 für gesättigtes Rot relevant, da viele weit verbreitete Leuchtmittel in diesem
Bereich Defizite aufweisen und somit besonders gute Lösungen an dieser Zahl erkennbar werden.
Derzeit sind überarbeitete Bewertungssysteme in der Entwicklung, die derartige Defizite des allgemeinen Farbwiedergabeindex’ beheben. Da diese jedoch noch nicht vollständig ausgearbeitet und
validiert sind, wird im Weiteren mit dem bestehenden Bewertungssystem gearbeitet.
3.2.2 Einfache Dosimeter für die Praxisanwendung
In CIE 157 wird für die Überwachung der Objektschädigung in Museen die Verwendung von acht
Blaumaßstäben als Dosimeter empfohlen. Diese Blaumaßstäbe (Blue Wool Standards) wurden jedoch ursprünglich zur Prüfung der Lichtechtheit von Textilien entwickelt. Das Verfahren zur Ermittlung des Grades der Lichtechtheit mit Hilfe von sieben Blaumaßstäben ist in [DIN EN ISO 105-B08]
beschrieben. In älteren Versionen, auf die sich auch CIE 157 bezieht, wird noch ein weiterer, achter
Blaumaßstab verwendet. Die Bestimmung des Farbunterschiedes geschieht in diesem genormten
Verfahren visuell.
Das kommerzielle Produkt LightCheck® Sensitive wird als Dosimeter zur Abschätzung der objektschädigend wirksamen Bestrahlung (Dosis) für Ausstellungsobjekte eingesetzt. LightCheck® Sensitive
besteht aus einer strahlungsempfindlichen blauen Schicht auf einem Träger. Die Farbe verändert
sich unter dem Einfluss der optischen Strahlung über die Zeit. Anhand einer Skala zum visuellen
Vergleich lässt sich die Belichtung (Beleuchtungsdosis in lx·h) ablesen.
Um die Aussagekraft dieser im Feld verbreiteten Typen einfacher Dosimeter zu überprüfen, wurden
acht Blaumaßstäbe sowie der LightCheck® Sensitive mit einer in [Kaase u.a., 2013] beschriebenen
Anlage bestrahlt. Als Quelle dient eine 1600 W XBO Xenon-Höchstdrucklampe, deren Strahlung,
durch unterschiedliche Kantenfilter beeinflusst, auf zehn Feldern der Proben auftrifft. Die Proben
wurden in 17 Bestrahlungsperioden mit exponentiell steigender Dauer insgesamt 1450 Stunden bestrahlt. Dies entspricht unter Berücksichtigung der in der Bestrahlungsanlage auf den Proben vorhandenen Beleuchtungsstärken und einer Ausstellungsbeleuchtungsstärke von 300 lx circa 25 Ausstellungsjahren.
Die Analyse der Farbänderung der untersuchten Proben basiert auf den Änderungen des spektralen
Reflexionsgrades () der bestrahlten Felder der einzelnen Proben. Dazu wurde ( vor Beginn der
Untersuchung und nach jeder Bestrahlungsperiode gemessen. In Abbildung 25 sind die bestrahlten
Proben dargestellt. Die entsprechenden Änderungen des spektralen Reflexionsgrades sind beispielhaft in Abbildung 26 und Abbildung 27 gezeigt.
34
1
2
3 4
5
6 7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Abbildung 25: Blaumaßstäbe 1-8 nach der 10., 14. und 17. Bestrahlungsperiode (175, 764 und 1450
Stunden) und LightCheck® Sensitive nach der 17. Bestrahlungsperiode (1450 Stunden)
In Abbildung 25 ist zu sehen, dass die Blaumaßstäbe Nr. 6 bis Nr. 8 sehr lichtbeständig sind. Die
Wirkungen in den ersten drei Feldern werden vielmehr durch die UV-Strahlung unterhalb 300 nm
der technischen Xe-Höchstdrucklampe verursacht, die aber weder bei Tageslicht noch bei künstlicher Beleuchtung auftritt. In den Feldern 4 bis 10 ist auch nach 1450 Stunden Bestrahlungszeit die
visuell ermittelte Schädigungswirkung minimal. Aus diesem Grund werden die Blaumaßstäbe Nr. 6
bis Nr. 8 nicht weiter berücksichtigt.
1,0
00
05
07
09
11
13
15
17
0,8
( )
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
900
1000
 in nm
Abbildung 26: Änderung des spektralen Reflexionsgrades des Blaumaßstabes Nr. 1 im Feld 5
Parameter: Bestrahlungsperiode
35
1,0
0,8
( )
0,6
00
01
02
03
04
05
06
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
900
1000
 in nm
Abbildung 27: Änderung des spektralen Reflexionsgrades des LightCheck® Sensitive im Feld 5
Parameter: Bestrahlungsperiode
Aus den gemessenen spektralen Reflexionsgraden der einzelnen Felder jeder Probe wurden die
Farbabstände dieser Felder im Vergleich zum unbestrahlten Feld bei Beleuchtung mit Normlichtart
D65 berechnet. Der Farbabstand ist dabei die Änderung einer wahrgenommenen Farbe nach Bestrahlung eines Objektes gegenüber der Körperfarbe des unbestrahlten Objektes. Dazu wird als angenähert empfindungsgemäß gleichabständiger Farbenraum der L*a*b*-Farbenraum CIE 1976 aus
[DIN EN ISO 11664-4] verwendet. Die Farbänderung wird dann durch den Farbabstand E*ab beschrieben.
*
E ab
 ( L* )²  ( a * )²  ( b * )²
Der Zusammenhang mit dem Normvalenzsystem mit den Normfarbwerten ist dabei gegeben durch:
L*  116
3

 200 
(Y / Yn )  16

(Z / Z ) 
a*  500 3 ( X / X n )  3 (Y / Yn )
b*
3
(Y / Yn )  3
n
X, Y, Z
Normfarbwerte der bestrahlten Probe
Xn, Yn, Zn
Normfarbwerte des vollkommen mattweißen Körpers unter der beleuchtenden Lichtart
In Abbildung 28 sind die Farbabstände E*ab für den Blaumaßstab Nr. 1 in zehn Feldern als Funktion der Bestrahlung (physikalische Dosis) He dargestellt.
36
60
50
40
Feld 1
*
E ab
Feld 2
30
Feld 3
Feld 4
Feld 5
20
Feld 6
Feld 7
Feld 8
10
Feld 9
Feld 10
0
0
50
100
150
200
250
Hein
inkWh/m²
kwh/m2
He
Abbildung 28: Farbabstand E*ab als Funktion der Bestrahlung He für Blaumaßstab Nr. 1
Zur Bestimmung der relativen spektralen Objektempfindlichkeit wurde die Gleichung
s ( ) dm, rel  e b (  300 nm ) 
 ( )
 (300nm)
zugrunde gelegt, da der spektrale Absorptionsgrad () = 1 – () der unbestrahlten Proben ermittelt wurde. Der Faktor b und der Zusammenhang zwischen Wirkung (Farbabstand E*ab) und Ursache (wirksame Bestrahlung Hdm) wurden so bestimmt, dass die Streuung der einzelnen Werte des
Farbabstandes bis E*ab = 3 um ein Polynom zweiten Grades minimal ist.
In Tabelle 12 sind die Werte des Faktors b und die wirksame Schwellenbestrahlung Hs,dm für
E*ab = 1 für die Blaumaßstäbe Nr. 1 bis Nr. 3 angegeben. In Abbildung 29 sind die relativen
spektralen Objektempfindlichkeiten s()dm,rel der drei Blaumaßstäbe dargestellt. Abbildung 30 bis
Abbildung 32 geben entsprechend die ermittelten Funktionen der Wirkung und Ursache wieder.
Tabelle 12: Materialtypische Konstante b und wirksame Schwellenbestrahlung (Dosis)
für Blaumaßstäbe Nr. 1 bis Nr. 3
Blaumaßstab Nr.
b-Wert
Hs,dm in Wh/m2 für E*ab = 1
1
0,0060
20
2
0,0095
29
3
0,0165
47
37
1,0
0,8
s( )dm,rel
Nr. 1
0,6
Nr. 2
Nr. 3
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
900
1000
 in nm
Abbildung 29: Relative spektrale Objektempfindlichkeit der Blaumaßstäbe Nr. 1 bis Nr. 3
50
40
*
 E ab
30
20
10
0
0
5
10
15
Hdm in kWh/m
20
25
2
Abbildung 30: Farbabstand E*ab als Funktion der wirksamen Bestrahlung Hdm (Dosis)
für Blaumaßstab Nr. 1
38
35
30
25
*
E ab
20
15
10
5
0
0
3
6
Hdm in kWh/m2
9
12
Abbildung 31: Farbabstand E*ab als Funktion der wirksamen Bestrahlung Hdm (Dosis)
für Blaumaßstab Nr. 2
30
25
  Eab
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
Hdm in kWh/m2
Abbildung 32: Farbabstand E*ab als Funktion der wirksamen Bestrahlung Hdm (Dosis)
für Blaumaßstab Nr. 3
39
Für die Blaumaßstäbe Nr. 4 und Nr. 5 sind in Abbildung 33 die relativen spektralen Objektempfindlichkeiten s()dm,rel mit einem ermittelten b-Faktor von 0,0195 dargestellt. In Abbildung 34 ist die
ermittelte Funktion der Wirkung und Ursache für Blaumaßstab Nr. 5 mit einer wirksamen Schwellenbestrahlung von Hs,dm = 199 Wh/m2 aufgetragen.
1,0
s( )dm,rel
0,8
Nr. 4
0,6
Nr. 5
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
900
1000
 in nm
Abbildung 33: Relative spektrale Objektempfindlichkeit der Blaumaßstäbe Nr. 4 und Nr. 5
8
*
E ab
6
4
2
0
0
1
2
Hdm in kWh/m2
3
4
Abbildung 34: Farbabstand E*ab als Funktion der wirksamen Bestrahlung Hdm (Dosis)
für Blaumaßstab Nr. 5
40
Zum Vergleich der Blaumaßstäbe Nr. 4 und Nr. 5 gibt Abbildung 35 die Verhältnisse der Farbabstände wieder. Es zeigt sich, dass Blaumaßstab Nr. 5 geringfügig empfindlicher ist als Blaumaßstab
Nr. 4, grundsätzlich aber beide Blaumaßstäbe ein annähernd gleiches Verhalten aufweisen.
8
4
*
 E ab (Nr. 5)
6
2
Messwerte
Ausgleichsgerade der Verhältnisse
Gerade gleicher Verhältnisse
0
0
2
4
6
8
*
E ab (Nr. 4)
Abbildung 35: Verhältnisse der Farbabstände der Blaumaßstäbe Nr. 4 und Nr. 5
In Abbildung 25 ist bereits visuell zu erkennen, dass der LightCheck® Sensitive über den gesamten
Wellenlängenbereich und insbesondere auch im UV-Bereich sehr empfindlich ist. In Abbildung 36
ist die relative spektrale Objektempfindlichkeit s()dm,rel mit einem ermittelten b-Faktor von 0,0020
dargestellt. Abbildung 37 zeigt die ermittelte Funktion der Wirkung und Ursache mit einer wirksamen Schwellenbestrahlung von Hs,dm = 12 Wh/m2.
1,0
s( )dm,rel
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
900
1000
 in nm
Abbildung 36: Relative spektrale Objektempfindlichkeit des LightCheck® Sensitive
41
40
*
E ab
30
20
10
0
0,00
0,25
0,50
0,75
Hdm in kWh/m
1,00
1,25
2
Abbildung 37: Farbabstand E*ab als Funktion der wirksamen Bestrahlung Hdm (Dosis)
für LightCheck® Sensitive
Die wirksame Schwellenbestrahlung erhöht sich jeweils circa um den Faktor 1,5 von Blaumaßstab
Nr. 1 bis Nr. 3. Zum Blaumaßstab Nr. 4 bzw. Nr. 5 ergibt sich ein größerer Abstand mit einem
Faktor von circa 4. Beim Vergleich der wirksamen Schwellenbestrahlung ist jedoch immer auch die
unterschiedliche relative spektrale Objektempfindlichkeit der einzelnen Proben zu beachten. Diese
ist bei allen Blaumaßstäben für längerwellige sichtbare Strahlung niedriger als für die kurzwellige
sichtbare Strahlung, was bei den Blaumaßstäben Nr. 4 bzw. Nr. 5 besonders deutlich ausfällt.
Der LightCheck® Sensitive weist einen untypischen Verlauf der relativen spektralen Objektempfindlichkeit auf. Neben hohen Werten im UV-Bereich fällt besonders eine höhere Empfindlichkeit im
langwelligen sichtbaren Bereich zwischen 600 nm und 700 nm auf. Zusätzlich bedeutet der niedrige Wert der wirksamen Schwellenbestrahlung eine sehr hohe Empfindlichkeit.
3.2.3 Sanierung der künstlichen Beleuchtung im Bode-Museum Berlin
Um die Möglichkeiten der modernen LED-Technik zu demonstrieren, wurden in zwei Ausstellungssälen des Bode-Museums Berlin die Beleuchtungsanlagen saniert. Zur exakten Bewertung der alten
und neuen Strahler wurden diese im Labor unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht. Die
Lichtquellen werden dabei durch elektrische (Leistung P, Leistungsfaktor cos), photometrische
(Lichtstrom Φv, Leuchtdichte Lv, Lichtstärkeverteilungskurve LVK), radiometrische (Strahlungsleistung
Φe, Strahldichte Le, spektrale Bestrahlungsstärke E(), colorimetrische (Farbort x y oder u’ v’, allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra, spezielle Farbwiedergabeindizes Ri, ähnlichste Farbtemperatur Tcp)
und aktinische (Schädigungspotenzial p) Größen beschrieben.
42
Oberlichtsaal im Bode-Museum Berlin
Im Raum 212 im Obergeschoss des Bode-Museums wurden die in Stromschienen montierten 14
konventionellen Halogenglühlampenstrahler durch 15 neue LED-Strahler ausgewechselt (Abbildung
38). Die Bestandsanlage war mit 35 W und 100 W Niedervolthalogenglühlampen bestückt, die
von manuell dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten gespeist wurden. Bei den LED-Strahlern
handelt es sich um zwei verschiedene Typen der Serie Optec der Firma ERCO: Vier Narrow Spot
mit 8 W LED-Leistung dienen der gezielten Anstrahlung einzelner Objekte aus größerer Entfernung.
Die weiteren elf Strahler mit 24 W LED-Leistung können durch den Einsatz verschiedener Linsen von
Spot bis Wide-Flood oder auch als ovaler Strahler oder Wandfluter eingesetzt werden. Mit Hilfe dieser Wechseloptiken kann eine für die individuellen Bedürfnisse der Ausstellung angepasste Ausleuchtung der Objekte erzielt werden. Durch den Austausch der Strahler wurde die maximale installierte Leistung von 1,36 kW um fast 70 % auf 410 W reduziert.
Abbildung 38: Installation der LED-Strahler im Oberlichtsaal (Bode-Museum)
Oberhalb der doppelt verglasten Staubdecke befinden sich 108 80 W T5-Leuchtstofflampen mit
einer ähnlichsten Farbtemperatur von Tcp = 4000 K (Abbildung 39). Die elektronischen Vorschaltgeräte sind über eine 1-10V-Schnittstelle dimmbar, jedoch wird diese Funktion nicht zur tageslichtabhängigen Regelung genutzt. Es wird lediglich eine niedrige Dimmstufe fest eingestellt, um die
Sicherheit auf den Verkehrswegen im Ausstellungssaal zu gewährleisten. Aus diesem Grund wird die
Oberlichtbeleuchtung in den weiteren Untersuchungen nicht berücksichtigt.
43
Abbildung 39: 80 W T5-Leuchtstofflampen als Ergänzungsbeleuchtung der Tageslichtdecke
HGL-Strahler 35 W
Ein Exemplar der mit einer konventionellen 35 W Halogenglühlampe bestückten Strahler aus der
Bestandsanlage wurde im Labor messtechnisch untersucht. In Tabelle 13 sind zunächst die gemessenen elektrischen und lichttechnischen Größen eingetragen. Zur Bewertung der Energieeffizienz
dient die Systemlichtausbeute , die das Verhältnis des ausgestrahlten Lichtstroms Φ zur aufgenommenen elektrischen Leistung P darstellt. Dabei wird die Systemleistung betrachtet, das heißt Vorschaltgeräte werden dabei einbezogen.
Tabelle 13: Messwerte des HGL-Strahlers
Messgröße
Messwert HGL-Strahler
Spannung U
230 V ~
Strom I
168 mA
Leistung P
38,0 W
Leistungsfaktor cos
0,984
Lichtstrom Φ
358 lm
Systemlichtausbeute 
9,4 lm/W
Mit einem Spiegelgoniophotometer wurde die Lichtstärkeverteilung eines HGL-Strahlers in C-Ebenen gemessen. Abbildung 40 zeigt die rotationssymmetrischen Lichtstärkeverteilungskurven (LVK) in
den C0-C180 und C90-C270 Ebenen. Es zeigt sich die für einen Spot typische sehr enge Bündelung der Lichtstärken.
44
Abbildung 40: Lichtstärkeverteilungskurven eines HGL-Strahlers in C0-C180 und C90-C270 Ebenen
Mit Hilfe eines Spektralradiometers wurde die spektrale Bestrahlungsstärke in einer Ebene senkrecht
zur Einfallsrichtung in 1,5 m Abstand von der Lichtaustrittsfläche gemessen. Die relative spektrale
Zusammensetzung der Strahlung ist in Abbildung 41 im Wellenlängenbereich von 300 nm bis
800 nm aufgetragen. Es ist der charakteristische zum längerwelligen Spektralbereich ansteigende
Verlauf einer Halogenglühlampe zu erkennen. Im Bereich unter 325 nm ist kaum Strahlung nachweisbar. Daraus ist zu erkennen, dass die gläserne Abschlussscheibe keinen sinnvollen zusätzlichen
UV-Schutz darstellt.
1,0
0,8
S(λ)
0,6
0,4
0,2
0,0
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
λ in nm
Abbildung 41: Relative spektrale Strahlungsverteilung des HGL-Strahlers (Dimmstufe 100%)
Zum individuellen Einstellen der gewünschten Beleuchtungsstärke auf den Ausstellungsobjekten sind
die Strahler mit dimmbaren EVGs ausgestattet. Zur Überprüfung des Einflusses der Dimmung auf
die Systemlichtausbeute und die spektrale Verteilung wurden die Spektralmessungen bei mehreren
Dimmstufen wiederholt und damit eine Dimmkennlinie aufgenommen. In Abbildung 42 sind die
Verläufe des Lichtstroms und der Systemlichtausbeute über der Systemleistung relativ dargestellt. Es
ist ein für Halogenglühlampensysteme typischer starker Abfall der Kurven zu erkennen. Abbildung
45
43 zeigt die Veränderung der ähnlichsten Farbtemperatur durch das Herunterdimmen. Eine derartige Änderung ist durch das menschliche Auge als Orangefärbung deutlich wahrzunehmen.
100
90
rel

rel

 rel bzw. rel in %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
80
100
Prel in %
Abbildung 42: Dimmkennlinien des HGL-Strahlers
3000
2500
T cp in K
2000
1500
1000
500
0
0
20
40
60
 rel in %
Abbildung 43: Ähnlichste Farbtemperatur in Abhängigkeit der Dimmstufe des HGL-Strahlers
Zum Vergleich der Schädigung von Museumsobjekten durch verschiedene Lichtquellen wird, wie in
Abschnitt 3.2.1 erläutert, zunächst das Schädigungspotential p für zwei unterschiedliche Materialklassen berechnet, welches dann auf eine Referenzlichtquelle normiert wird. In Tabelle 14 ist das
Schädigungspotential des zu untersuchenden HGL-Strahlers (Tcp = 2840 K) in verschiedenen
Dimmzuständen im Vergleich zu einem typischen HGL-Strahler mit einer ähnlichsten Farbtemperatur
von Tcp = 2800 K ohne UV-Filter eingetragen.
46
Tabelle 14: Schädigungspotentiale des HGL-Strahlers bei verschiedenen Dimmstufen
Herkömmlicher
HGL-Strahler mit
Tcp=2800 K
ohne UV-Filter
Untersuchter HGL-Strahler mit Dimmstufen
100%
85%
61%
41%
24%
10%
p in mW / lm
für b = 0,012
prel
0,193
0,201
0,198
0,192
0,185
0,180
0,172
1,00
1,04
1,03
0,99
0,96
0,93
0,89
p in mW / lm
für b = 0,038
prel
0,0037
0,0050
0,0048
0,0042
0,0038
0,0033
0,0025
1,00
1,35
1,30
1,14
1,03
0,89
0,68
Die besonders für zeitungspapierähnliche Objekte (b = 0,038) höheren Werte für prel sind mit der
höheren ähnlichsten Farbtemperatur des untersuchten HGL-Strahlers gegenüber des Vergleichsstrahlers zu erklären.
Aus den gemessenen spektralen Größen lassen sich der Farbort im Normvalenzsystem (x, y) und
(u’, v’), die ähnlichste Farbtemperatur Tcp sowie die speziellen Farbwiedergabeindizes Ri berechnen.
Diese sind in Tabelle 15 zusammengestellt. Als Mittelwert der ersten acht speziellen Farbwiedergabeindizes ist zusätzlich der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra definiert. Die sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften der Halogenglühlampe werden durch das Dimmen nicht beeinträchtigt.
Tabelle 15: Farb- und Farbwiedergabeeigenschaften des HGL-Strahlers bei Dimmstufe 100%
Farbort
x
y
0,4485
0,4076
u’
v’
Ähnlichste Farbtemperatur Tcp in K
Spezielle Farbwiedergabeindizes Ri
1
2
3
4
5
6
7
8
0,2565
0,5245
2840
9
10
11
12
13
14
Allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra
100
100
100
100
100
100
100
47
100
100
100
100
100
100
100
100
LED-Strahler „Optec“
Als Ersatz für den vorher beschriebenen HGL-Strahler wurden zwei Strahler in LED-Technik der Firma ERCO ausgewählt. Der mit 35 W bestückten HGL-Strahler lässt sich durch einen eng gebündelter Strahler mit 8 W LED-Leistung austauschen, Wattagen bis 100 W lassen sich mit dem LEDStrahler mit 24 W nomineller Leistung ersetzen. Die elektrischen und lichttechnischen Messwerte
sind in Tabelle 16 eingetragen. Bei diesen Strahlern ist die Systemlichtausbeute etwa um den Faktor 5 größer als bei der Halogenglühlampenversion.
Für den 24 W LED-Strahler sind fünf verschiedene Optikvorsätze mitgeliefert, die es ermöglichen,
die Ausstrahlcharakteristik an die erforderlichen Gegebenheiten anzupassen. Die jeweiligen Lichtstärkeverteilungskurven sind in Abbildung 44 gezeigt.
Tabelle 16: Messwerte der „Optec“ LED-Strahler
Messgröße
Messwert
LED 8 W
Messwert
LED 24 W
Spannung U
230 V ~
230 V ~
Strom I
71 mA
132 mA
Leistung P
11,2 W
28,5 W
Leistungsfaktor cos
0,690
0,943
Lichtstrom Φ
479 lm
1700 lm
Systemlichtausbeute 
43,8 lm/W
59,6 lm/W
Abbildung 44: Lichtstärkeverteilungskurven in C0-C180 und C90-C270 Ebenen der LED-Strahler (von
links oben nach rechts unten): Narrow-Spot (8 W); Spot; Flood; Wide Flood; Oval; Wallwash (alle 24 W)
48
spektr. Bestrahlungsstärke [W/(m²nm)]
bzgl. 100lx
Aus der in Abbildung 45 gezeigten relativen spektralen Strahlungsverteilung ergeben sich im
Vergleich zu HGL-Systemen deutlich geringere Schädigungspotentiale (Tabelle 17). Die errechneten
Kennwerte für die Farb- und Farbwiedergabewerte sind entsprechend in Tabelle 18 eingetragen.
0,002
0,001
0,000
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
λ in nm
8W
24W
Abbildung 45: Relative spektrale Strahlungsverteilung der „Optec“ LED-Strahler
Tabelle 17: Schädigungspotentiale der „Optec“ LED-Strahler bei verschiedenen Dimmstufen
LED-Strahler mit Dimmstufen
8W
100%
8W
36%
8W
18%
24W
100%
24W
48%
24W
20%
p in mW / lm
für b = 0,012
prel
0,145
0,143
0,141
0,146
0,143
0,142
0,75
0,74
0,73
0,76
0,74
0,74
p in mW / lm
für b = 0,038
prel
0,0013
0,0012
0,0011
0,0012
0,0011
0,0011
0,35
0,32
0,30
0,32
0,30
0,30
49
Tabelle 18: Farb- und Farbwiedergabeeigenschaften der „Optec“ LED-Strahler bei Dimmstufe 100%
LED-System
Farbort
x
y
8W
24W
0,4509
0,4110
0,4431
0,4112
u’
v’
Ähnlichste Farbtemperatur Tcp in K
Spezielle Farbwiedergabeindizes Ri
1
2
3
4
5
6
7
8
0,2566
0,5261
2835
0,2515
0,5251
2955
92
93
95
93
91
93
92
81
91
94
96
92
90
92
93
81
9
10
11
12
13
14
Allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra
55
85
94
81
92
96
91
54
84
93
77
91
97
91
Abbildung 46 zeigt die relativen Verläufe des Lichtstroms und der Systemlichtausbeute über der Systemleistung. Es ist ein für Dimmfunktionen deutlich besserer Verlauf der Systemlichtausbeute zu erkennen als beim HGL-Strahler. Für das 24 W-System steigt die Kurve beim Herunterdimmen bis
60 % sogar an, was darauf hindeutet, dass bei voller Leistung die Kühlung der LEDs nicht so effektiv
funktioniert, wie im gedimmten Betrieb. Bei steigender Temperatur der LEDs sinkt die Lichtausbeute
dann entsprechend ab. Abbildung 47 zeigt die Veränderung der ähnlichsten Farbtemperatur durch
das Herunterdimmen. Eine derartige geringe Änderung ist nicht wahrnehmbar. Der Farbort und die
Farbwiedergabeeigenschaften ändern sich dadurch ebenfalls kaum.
50
1,0
Φrel bzw. ηrel
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Prel
Φrel 8W
ηrel 8W
Φrel 24W
ηrel 24W
Abbildung 46: Dimmkennlinien der „Optec“ LED-Strahler
3000
2500
Tcp in K
2000
8W-LED
1500
24W-LED
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
 rel in %
Abbildung 47: Ähnlichste Farbtemperatur in Abhängigkeit der Dimmstufe der „Optec“ LED-Strahler
51
Raum mit Seitenfenstern im Bode-Museum Berlin
Der Ausstellungssaal 124 im Erdgeschoss ist mit fast raumhohen, großflächigen Seitenfenstern ausgestattet, deren Lichttransmissionsgrad bei Bedarf mit einem innenliegenden Sonnenschutzstore herabgesetzt werden kann. Als Akzentbeleuchtung dienten bisher elf 70 W HIT-Strahler sowie acht
100 W HGL-Strahler, die in 3-Phasenstromschienen befestigt waren (Abbildung 48). Die installierte
Leistung und damit bei einem ungeregelten System auch der Energieumsatz konnte durch den Einsatz von LED-Strahlern bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl auf zwölf Strahler insgesamt ähnlich wie im Oberlichtsaal um ca. 70 % gesenkt werden. Dabei ergaben sich jedoch weitere erhebliche Vorteile durch den Einsatz von LEDs mit sehr guter Farbwiedergabe: So ist eine Auswahl der
ähnlichsten Farbtemperatur zwischen 3000 K und 6000 K möglich. Das eingesetzte System ist bei
nahezu gleichbleibender Farbtemperatur im Bereich von 14 % bis 100 % dimmbar.
Abbildung 48: Installation der „High CRI“ LED-Strahler im Ausstellungssaal mit Seitenfenstern
Zur Sanierung der Beleuchtung dieses Ausstellungssaals wurden zwölf Stück „High CRI Strahler“ der
Firma OSRAM installiert (Abbildung 49). Diese Strahler zeichnen sich besonders durch eine in sieben Stufen einstellbare ähnlichste Farbtemperatur aus. Zusätzlich lässt sich die Leistung jeweils in
zwölf Stufen dimmen.
52
Abbildung 49: „High CRI“ LED-Strahler der Firma Osram
Ein Exemplar dieses Typs wurde im Labor messtechnisch untersucht. Die für die einzelnen Farbstufen bei 100 % Leistung ermittelten elektrischen und lichttechnischen Messwerte sind in Tabelle 19
eingetragen.
Tabelle 19: Messwerte des „High CRI“ LED-Strahlers bei Dimmstufe 100%
Farbstufe
2900 K
3350 K
3800 K
4150 K
4650 K
5100 K
5400 K
Spannung U
230 V
230 V
230 V
230 V
230 V
230 V
230 V
Strom I
0,154 A
0,178 A
0,200 A
0,165 A
0,150 A
0,132 A
0,127 A
Leistung P
33,2 W
39,0 W
43,7 W
36,0 W
32,1 W
28,0 W
26,6 W
Leistungsfaktor cos
0,94
0,95
0,96
0,95
0,93
0,92
0,91
Lichtstrom Φ
1092 lm
1359 lm
1600 lm
1325 lm
1130 lm
1005 lm
957 lm
Systemlichtausbeute  33 lm/W 35 lm/W 37 lm/W 37 lm/W 35 lm/W 36 lm/W 36 lm/W
Es ist zu erkennen, dass der Lichtstrom je nach Farbstufe zwischen etwa 1000 lm und 1600 lm variiert. Dies ist auf das Funktionsprinzip der Leuchte zurückzuführen: Zwei Typen von weißen LEDs
(warmweiß und kaltweiß) werden zusammen mit roten, grünen und blauen LEDs betrieben. Die Mischung ergibt dann die unterschiedlichen ähnlichsten Farbtemperaturen. Im Bereich um 4000 K
tragen alle LEDs zum Lichtstrom bei, dort finden sich dann die höchsten Lichtstromwerte. Die Lichtausbeute von etwa 35 lm/W ist für Strahler mit LED-Technik relativ niedrig. Dies ist der Optimierung auf eine besonders gute Farbwiedergabe geschuldet. Abbildung 50 zeigt die auf 100 lx bezogene spektrale Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit der Farbstufe. Hier ist das beschriebene Funktionsprinzip der gezielten Mischung mehrerer LEDs zu erkennen, je niedriger die ähnlichste Farbtemperatur ist, desto höher ist der Anteil der roten LED (660 nm). Entsprechend geringer fällt der
Anteil der blauen und der kaltweißen LED aus.
53
spektr. Bestrahlungsstärke [W/(m²nm)]
bzgl. 100lx
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.000
300
400
500
600
700
800
900
1000
Wellenlänge [nm]
2900K
3350K
3800K
4150K
4650K
5100K
5400K
Abbildung 50: spektrale Bestrahlungsstärke bzgl. 100 lx in Abhängigkeit der Farbstufe des
„High CRI“-LED Strahlers
Aus diesen spektralen Verläufen lassen sich die in Tabelle 20 eingetragenen Werte für die Farbund Farbwiedergabeeigenschaften berechnen. Hervorzuheben sind die sehr guten Werte für den
allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra sowie die zumindest bei niedrigen ähnlichsten Farbtemperaturen sehr hohen Werte für die Wiedergabe gesättigten Rots (R9).
Die Einstellung der ähnlichsten Farbtemperatur Tcp sowie der für eine optimale Erkennbarkeit notwendigen Dimmstufe geschah während der Installation der LED-Strahler über eine visuelle Bewertung im Beisein der Restauratoren und des Ausstellungsleiters.
54
Tabelle 20: Farb- und Farbwiedergabeeigenschaften des „High CRI“ LED-Strahlers bei Dimmstufe 100%
Farbstufe
2900 K 3350 K 3800 K 4150 K 4650 K 5100 K 5400 K
Farbort
x
y
u’
v’
Ähnlichste Farbtemperatur
Tcp in K
Spezielle
Farbwiedergabeindizes Ri
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Allgemeiner
Farbwiedergabeindex Ra
0,4450
0,4088
0,2538
0,5244
0,4156
0,3998
0,2386
0,5165
0,3898
0,3858
0,2276
0,5069
0,3755
0,3800
0,2206
0,5023
0,3568
0,3669
0,2134
0,4937
0,3439
0,3629
0,2063
0,4899
0,3348
0,3531
0,2039
0,4839
2910
3350
3810
4150
4660
5100
5420
95
96
98
96
96
95
96
96
95
95
98
92
95
99
97
98
99
98
98
98
98
98
97
99
95
94
98
99
92
94
98
94
93
93
95
89
72
90
96
90
93
99
93
95
98
95
95
94
95
91
77
92
96
91
93
99
95
95
98
96
96
95
96
94
83
93
95
92
95
99
93
94
97
93
94
93
93
92
80
90
93
88
93
99
93
94
97
93
94
94
94
90
74
90
94
90
93
99
96
98
94
94
95
94
94
Die aus den Spektralmesswerten berechneten Schädigungspotentiale sind in Tabelle 21 eingetragen. Dabei zeigt sich, dass die „High CRI“ LED-Leuchte besonders für zeitungspapierähnliche museale Objekte sehr gut geeignet ist. Für alle empfindlichen Ausstellungsstücke ist die Auswahl einer
niedrigen Farbstufe empfehlenswert, da mit steigender ähnlichster Farbtemperatur aufgrund des höheren Blauanteils das Schädigungspotenzial ansteigt.
Tabelle 21: Schädigungspotentiale des „High CRI“ LED-Strahlers bei Dimmstufe 100%
Osram LED-Strahler mit unterschiedlichen Tcp
2900 K
3350 K
3800 K
4150 K
4650 K
5100 K
5400 K
p in mW / lm für
b = 0,012
0,160
0,178
0,196
0,209
0,227
0,240
0,251
prel
0,83
0,92
1,02
1,08
1,18
1,24
1,30
0,0019
0,0025
0,0028
0,0032
0,0035
0,0038
0,51
0,67
0,76
0,86
0,96
1,02
p in mW / lm für
0,0015
b = 0,038
prel
0,41
55
Abbildung 51 zeigt die in der Farbstufe 2900 K gemessenen Lichtstärkeverteilungskurven in den
C0-C180 und C90-C270 Ebenen. Diese gilt stellvertretend für alle Farbstufen, da die Ausstrahlgeometrie nicht verändert werden kann. Es sind lediglich die unterschiedlichen maximal möglichen
Lichtströme zu beachten.
Abbildung 51: Lichtstärkeverteilungskurven in C0-C180 und C90-C270 Ebenen
Zur Beurteilung der Effizienz im gedimmten Betrieb sind in Abbildung 52 die Dimmkennlinien für
die einzelnen Farbstufen relativ aufgetragen. Es zeigt sich, dass der Dimmbetrieb im Allgemeinen
bei warmweißen Farbeinstellungen effizienter funktioniert als bei kaltweißem Licht. Die ähnlichste
Farbtemperatur bleibt dabei, wie in Abbildung 53 zu sehen ist, zwischen 100 % bis etwa 30 % annähernd konstant, erst bei sehr geringen Dimmstufen werden Abweichungen deutlich.
100
90
rel. Systemlichtausbeute [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20
30
40
50
60
70
80
90
5100K
5400K
rel. Leistungsaufnahme [% ]
2900K
3350K
3800K
4150K
4650K
Abbildung 52: Dimmkennlinien in Abhängigkeit der Farbstufe
56
100
6000
ähnlichste Farbtemperatur [K]
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
20
30
40
50
60
70
80
90
100
rel. Leistungsaufnahme [% ]
2900K
3350K
3800K
4150K
4650K
5100K
5400K
Abbildung 53: ähnlichste Farbtemperatur in Abhängigkeit der relativen Leistungsaufnahme
3.2.4 Beleuchtung mit Oberlicht in der Kunsthalle Mannheim
In dem in den Jahren 2010 bis 2013 generalsanierten Jugendstilbau der Kunsthalle Mannheim
(KHM) wurde für einen Ausstellungsraum mit Oberlicht (Abbildung 54) im Zeitraum von Oktober
2013 bis August 2014 der Energieumsatz der künstlichen Oberlichtbeleuchtung gemessen. Zur Bewertung der Ergebnisse wurde die Tageslichtsituation aufgenommen und die Beleuchtungsstärken
im Innenraum im 5-Minuten-Intervall registriert.
Abbildung 54: Installation der Messtechnik im Oberlichtsaal der Kunsthalle Mannheim
57
Tageslichtsystem
Im Zuge der Sanierung wurden die bis dahin nicht mehr genutzten Oberlichter in den Sälen des
1.OG wieder freigelegt und mit neuen Tageslichtsystemen ausgestattet. Abbildung 55 zeigt das
Spiegelraster im Scheibenzwischenraum der Schrägdachverglasung, das einen direkten Sonnenlichteinfall verhindert. Der Lichttransmissionsgrad dieses statischen Sonnenschutzsystems beträgt bei
diffusem Lichteinfall 0,21. Zusätzlich verfügt das Glas über einen UV-Schutzfilter, was durch die
Messung der in Abbildung 56 dargestellten relativen spektralen Bestrahlungsstärke durch Tageslicht
im Zwischendachbereich belegt wurde.
Abbildung 55: Tageslichtsystem mit Spiegelraster im SZR für die Dachschrägen der Kunsthalle Mannheim
1,0
0,8
S( )
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
 in nm
Abbildung 56: Relative spektrale Bestrahlungsstärke durch Tageslicht im Zwischendachbereich
58
Künstliche Oberlichtbeleuchtung
Zur Ergänzung des Tageslichts und zur Allgemeinbeleuchtung des Oberlichtsaals ist im Zwischendachbereich eine künstliche Beleuchtungsanlage installiert, die mit 48 Leuchten mit je einer 35 W
T5-Leuchtstofflampe vom Typ 840 eine elektrische Gesamtleistung von 1,85 kW aufweist
(Abbildung 57). Die Leuchten sind dimmbar und werden über ein Gebäudemanagement angesteuert. Die für die tageslichtabhängige Regelung notwendigen Sensoren sind auf den vier Wänden des
Ausstellungssaals in einer Höhe von 5 m montiert.
Abbildung 57: Glasdach mit integriertem Sonnenschutz, künstliche Ergänzungsbeleuchtung mit
T5-Leuchtstofflampen und Staubdecke in der Kunsthalle Mannheim
Staubdecke
Um eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung im Ausstellungsraum zu erzielen, ist die Oberlichtverglasung der Staubdecke stark streuend ausgeführt (Abbildung 58). Damit herrscht im Ausstellungsraum eine nahezu gleich bleibende Lichtverteilung. Abbildung 59 zeigt den im Labor ermittelten
Verlauf des spektralen Transmissionsgrades im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 800 nm.
Durch den steilen Abfall bei 400 nm ist ein zusätzlicher UV-Schutz gegeben. Der relativ gleichmäßige Verlauf im Durchlassbereich sorgt für möglichst geringe Verfälschungen der Farbeigenschaften
des Tageslichts und der künstlichen Beleuchtung.
Abbildung 58: Oberlichtverglasung der Staubdecke der Kunsthalle Mannheim
59
1,0
0,9
0,8
0,7

0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
 in nm
Abbildung 59: Spektraler Transmissionsgrad () der Staubdecke
Die sich aus der Kombination der Tageslichtsysteme ergebende Strahlungsfunktion der Tageslichtbeleuchtung im Innenraum wurde durch eine Messung der spektralen Bestrahlungsstärke auf einer
horizontalen Fläche in der Raummitte auf einer Höhe von 0,4 m mit Hilfe eines Spektralradiometers
gemessen (Abbildung 60). In Tabelle 22 sind die aus dieser Spektralverteilung ermittelten Farb- und
Farbwiedergabeeigenschaften sowie das Schädigungspotenzial eingetragen.
1,0
0,8
S( )
0,6
0,4
0,2
0,0
300
400
500
600
700
800
 in nm
Abbildung 60: Relative spektrale Bestrahlungsstärke durch Tageslicht im Ausstellungssaal mit Oberlicht
60
Tabelle 22: Farb- und Farbwiedergabeeigenschaften sowie Schädigungspotenzial des Tageslichts im
Ausstellungssaal mit Oberlicht
Farbort
x
y
0,3219
0,3526
u’
v’
Ähnlichste Farbtemperatur Tcp/K
Spezielle Farbwiedergabeindizes Ri
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra
Schädigungspotenzial p
Relatives Schädigungspotenzial prel
Schädigungspotenzial p
Relatives Schädigungspotenzial prel
b=0,012
b=0,038
0,1955
0,4817
5950
92
96
98
92
93
96
97
90
70
92
91
92
93
89
94
0,294
1,5
0,0059
1,6
Durch die Tageslichtbeleuchtung ergibt sich eine Beleuchtung mit einem deutlich höheren Schädigungspotential als mit HGL-Strahlern. Entsprechend sollten die Beleuchtungsstärken niedriger bzw.
die Ausstellungszeiten kürzer gehalten werden. Die Farbwiedergabe ist annähernd ideal, leichte Einschränkungen erfährt lediglich die Wiedergabe des gesättigten Rots.
Aufgrund der Lichttransmissionsgrade des Tageslichtsystems und der Staubdecke sowie der Minderung des Tageslichtes durch Verschmutzung und Versprossung insbesondere im Zwischendachbereich ist die Tageslichtbeleuchtung auf eine maximal zulässige Beleuchtungsstärke begrenzt. Es ist
zu erwarten, dass die Energieeinsparung durch Tageslichtbeleuchtung mit diesem statischen Tageslichtsystem gering ausfällt.
61
3.2.5 Monitoring der Museumsbeleuchtung
Aufbau und Funktion des Messsystems
Basierend auf den Erfahrungen mit dem Monitoringsystem bei den in Kapitel 3.1.5 beschriebenen
Untersuchungen im Schulgebäude wurde ein neuer Datenschreiber entwickelt, der gegenüber dem
vorherigen System Verbesserungen in wesentlichen Punkten erzielt. Die Laufzeit fällt aufgrund eines
größeren Datenspeichers und des geringeren Energieumsatzes im Akkubetrieb mit etwa 10 Wochen
mehr als doppelt so lang aus. Alternativ ist auch ein Netzteilbetrieb möglich, bei dem die Laufzeit
theoretisch 10 Jahre und mehr betragen kann. Der Datenschreiber ist so konzipiert, dass die bestehenden Sensorplatinen über eine mit dem alten System identische Schnittstelle weiter verwendet
werden können [Bauer, 2014].
Das Grundmodul des Messsystems ist ein Datenschreiber, der auf Basis eines R8C/13 16bit-Mikrocontrollers mit angeschlossenem 10bit-A/D-Umsetzer die Messdaten in einem einzustellenden Intervall in den nichtflüchtigen Speicher einer SD-Speicherkarte schreibt. Da mehrere Geräte parallel
betrieben werden sollen, ist ein Zeitabgleich der einzelnen Datenschreiber notwendig. Dies geschieht über einen Funkempfänger, der das von der PTB ausgesendete DCF77-Funkuhrsignal auswertet und bei Abweichungen die Systemuhr synchronisiert. Die Konfiguration des Datenschreibers
erfolgt über eine ASCII-Datei, die auf die SD-Karte geschrieben wird. Dort kann das Messintervall
eingestellt werden, in welchem Tageszeitraum gemessen werden soll und welche Kanäle und damit
welche Sensoren verwendet werden sollen. Die verschiedenen Zustände des Programmablaufs werden über zwei LEDs angezeigt.
Über einen 30-poligen Pfostenstecker (Sensormodulanschluss) wird eine Sensorplatine an den Datenschreiber angeschlossen, die mit maximal vier verschiedenen Sensoren bestückt werden kann.
Dieser Anschluss ist so ausgeführt, dass die bisher genutzten Sensorplatinen weiter genutzt werden
können. Das System für das Monitoring in Museen ist so ausgelegt, dass an festzulegenden Bezugspunkten die horizontale und vertikale Beleuchtungsstärke sowie die wirksame Bestrahlungsstärke für
Objektschädigung in einem Messintervall von fünf Minuten gemessen und für eine spätere Auswertung gespeichert werden. Abbildung 61 zeigt das aufgebaute Messsystem mit Gehäuse.
Sensor für objektschädigende
wirksame Bestrahlungsstärke
Sensor für horizontale
Beleuchtungsstärke
Sensor für vertikale
Beleuchtungsstärke
Abbildung 61: Messsystem mit Sensorplatine für Museumsbeleuchtung
62
Sensortypen und Kalibrierung
Beleuchtungsstärken
Die horizontale und vertikale Beleuchtungsstärke wird mit zwei Hamamatsu S1087 Photodioden
realisiert, die durch spezielle Grün-Filter an die V()-Kurve angepasst wurden. Für eine korrekte kosinusförmige Winkelbewertung sorgt eine vorgesetzte Schicht aus diffus transmittierendem Plexiglas.
Die Absolutkalibrierung erfolgt durch Vergleichsmessungen mit einem Luxmeter der Klasse L.
Objektschädigend wirksame Bestrahlungsstärke
Als Sensor zur Messung der objektschädigend wirksamen Bestrahlungsstärke wurde eine auf Siliziumcarbit basierende UV-Photodiode SIC01M ausgewählt. Diese UV-Photodiode ist für UV-Strahlung und für Strahlung im blauen Bereich der sichtbaren Strahlung zwischen 300 nm und 400 nm
empfindlich und damit im UV-Bereich hinreichend genau an die objektschädigend wirksame Strahlungsfunktion angenähert. In Abbildung 62 ist die relative spektrale Empfindlichkeit s()rel der UVPhotodiode in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen.
Um eine Aussage über die absolute wirksame Bestrahlungsstärke und durch zeitliche Integration
auch der wirksamen Dosis treffen zu können, wird der Sensorwert mit dem durch eine Messung der
spektralen Bestrahlungsstärke berechneten Wert verglichen und ein Kalibrierungsfaktor bestimmt.
Dies geschieht unter Bestrahlung mit einer Xe-Höchstdrucklampe mit vorgeschaltetem Filter, wodurch eine einem mittleren Tageslicht im Außenraum angenäherte Strahlungsfunktion erzielt wird.
Abbildung 62: relative spektrale Empfindlichkeit der UV-Photodiode SIC01M in Abhängigkeit von der
Wellenlänge [Roithner, 2012]
Energieumsatz der künstlichen Beleuchtung
Der Energieumsatz einer Beleuchtungsanlage kann ohne Eingriff in die elektrische Installation durch
relative Messungen der Dimmstufen ermittelt werden, indem diese über die Dimmkennlinie in die
zum Zeitpunkt der Messung umgesetzte Leistung umgerechnet werden (vgl. Abschnitt 3.1.5). Dies
kann über einen Beleuchtungsstärkesensor geschehen, solange davon keine andere Lichtquelle erfasst wird. Eine Kalibrierung ist dabei nicht erforderlich, da alle Werte auf den bei einer 100%Dimmstufe gemessenen höchsten Wert bezogen werden.
63
Aufstellung der Messgeräte
Für das Monitoring im Ausstellungssaal mit Oberlicht wurden insgesamt drei Messgeräte verwendet.
Oberhalb der Staubdecke sind zwei Datenschreiber montiert. Ein Gerät ist direkt unter einer Leuchte der künstlichen Beleuchtungsanlage platziert und misst über die integrierte UV-Photodiode die
Dimmstufe der Leuchtstofflampen. Dies ist möglich, da der UV-Anteil des Tageslichts bereits durch
die Glasscheiben des Tageslichtsystems herausgefiltert wird. Das zweite Messgerät ist oberhalb der
Leuchten befestigt. Der horizontale Beleuchtungsstärkeempfänger wird somit nur vom Tageslicht beleuchtet und ermöglicht so eine relative Messung des Tageslichteintrags.
Im Ausstellungsraum selbst wurde ein drittes Messsystem zur Registrierung der Vertikal- und Horizontalbeleuchtungsstärke in der Ecke auf einer Höhe von 2,5 m installiert (Abbildung 63). Da für
die Bewertung der Beleuchtung von Gemälden die Vertikalbeleuchtungsstärke maßgebend ist, wurden in den folgenden Untersuchungen nur die Messwerte des entsprechenden Sensors herangezogen. Aus ästhetischen Gründen war eine Anbringung in der Wandmitte nicht möglich. Aufgrund der
nahezu gleich bleibenden Lichtverteilung im Saal können die Messwerte am Sensor mit einem von
der Position auf den Wänden abhängigen Faktor korrigiert werden. Dazu wurden die Verhältnisse
der Vertikalbeleuchtungsstärken an den Punkten auf der Wand zur der am Sensor ermittelt. Die
Messpunkte an der Wand wurden auf eine Höhe von 1,65 m festgelegt. Abbildung 64 zeigt die bei
Tageslichtbeleuchtung ermittelten Korrekturfaktoren.
11
12
10
9
1
2
3
4
5
6
7
8
Abbildung 63: Ausstellungssaal mit Oberlicht in der Kunsthalle Mannheim:
Grundriss mit Messpunkten an den Wänden und Position des Sensors
Breite: 7,5 m; Länge: 13,2 m (15,7 m mit Erker); Höhe: 7,0 m
64
1,50
10
11
1,25
6
12
5
EV,P / EV,Sensor
1,00
9
7
2
8
1
3
4
0,75
Längswand ohne Türen
Längswand mit Türen
Querwand
0,50
0,25
0,00
1
2
Messpunkte auf
3 der Wand
4
5
Abbildung 64: Örtlicher Verlauf der Verhältnisse der Vertikalbeleuchtungsstärken an den Messpunkten
zur Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor bei Tageslichtbeleuchtung
Auswertung
Zur Ermittlung des Tageslichtbeitrags für die Vertikalbeleuchtungsstärke im Innenraum wurde die
Horizontalbeleuchtungsstärke an einem Punkt im Zwischendachbereich gemessen. Aufgrund der
stark streuenden Eigenschaften der Staubdecke ist die relative Lichtverteilung im Innenraum nahezu
gleichbleibend. Aus diesem Grund ergibt sich ein konstantes Verhältnis zwischen der Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Innenraum zur im Dachbereich gemessenen Beleuchtungsstärke
durch das Tageslicht. Am 24.12.2013 ergab sich bei ausschließlicher Tageslichtbeleuchtung ein
Verhältnis von 0,05. Damit lassen sich die Beiträge des Tageslichts zur Beleuchtungsstärke für alle
Positionen im Innenraum berechnen.
Die Dimmstufen der künstlichen Beleuchtung werden relativ bezogen auf die höchste Dimmstufe
dargestellt. Diese Werte sind auf der sekundären y-Achse abzulesen. In den folgenden Abbildungen
ist nun für verschiedene Tage der Verlauf der Vertikalbeleuchtungsstärke im Ausstellungsraum am
Sensor, des Tageslichtbeitrags zur Vertikalbeleuchtungsstärke und der relativen Dimmstufen der
künstlichen Oberlichtbeleuchtung aufgetragen.
Abbildung 65 zeigt die Tagesverläufe an einem Wintertag, an dem das Museum geschlossen war,
weshalb die künstliche Beleuchtung ausgeschaltet blieb. Es ist zu sehen, dass die Vertikalbeleuchtungsstärken am Sensor maximal etwa 60 lx betragen. Der Verlauf der Beleuchtungsstärken im
Raum folgt dem Beitrag des Tageslichts.
65
E in lx
250
1,0
200
0,8
150
0,6
100
0,4
50
0,2
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
0,0
MEZ in hh:mm
Vertikalbeleuchtungsstärke
Beitrag des Tageslichts zur Vertikalbeleuchtungsstärke
relative Dimmstufe der künstl. Beleuchtung
Abbildung 65: Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Saal, Beitrag des Tageslichts zur
Vertikalbeleuchtungsstärke und relative Dimmstufe der künstlichen Beleuchtung 24.12.2013
E in lx
Am darauf folgenden Tag (Abbildung 66) war das Museum wieder geöffnet und die Beleuchtungsanlage von 10 bis 20 Uhr aktiv. Es ist zu erkennen, dass die künstliche Beleuchtung an diesem
Wintertag dauerhaft in einer hohen Dimmstufe arbeitete, um den geringen Tageslichteintrag zu ergänzen. Am Sensor werden dabei Vertikalbeleuchtungsstärken von circa 140 lx erreicht, was nach
Umrechnung mit dem Korrekturfaktor von 1,4 im Punkt 10 auf der Wand etwa 200 lx entspricht.
Dies ist zu diesem Zeitpunkt offenbar die Regelsollgröße.
250
1,0
200
0,8
150
0,6
100
0,4
50
0,2
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
0,0
MEZ in hh:mm
Vertikalbeleuchtungsstärke
Beitrag des Tageslichts zur Vertikalbeleuchtungsstärke
relative Dimmstufe der künstl. Beleuchtung
Abbildung 66: Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Saal, Beitrag des Tageslichts zur
Vertikalbeleuchtungsstärke und relative Dimmstufe der künstlichen Beleuchtung 25.12.2013
Abbildung 67 und Abbildung 68 zeigen die Verläufe an zwei Tagen im März 2014. Es sind wieder
die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der künstlichen Beleuchtung zu erkennen. Zu dieser Jahreszeit trägt
66
E in lx
die Tageslichtbeleuchtung zu einem deutlich größeren Maß zur Beleuchtung des Innenraums bei,
die künstliche Beleuchtungsanlage ist größtenteils stark gedimmt, um die Sollbeleuchtungsstärke
einzuhalten. An diesen Beispielen ist zu erkennen, dass die Regelung der Beleuchtungsanlage auch
bei stark veränderlichen Bedingungen funktioniert. Die Werte der Vertikalbeleuchtungsstärke von
ca. 175 lx am Sensor entsprechen etwa 250 lx am Punkt 10 auf der Wand. Offenbar wurde der
Sollwert in der Regelungsanlage geändert, was auf unterschiedlichen Beleuchtungsanforderungen
bei wechselnden Ausstellungen zurückzuführen ist.
250
1,0
200
0,8
150
0,6
100
0,4
50
0,2
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
0,0
MEZ in hh:mm
Vertikalbeleuchtungsstärke
Beitrag des Tageslichts zur Vertikalbeleuchtungsstärke
relative Dimmstufe der künstl. Beleuchtung
E in lx
Abbildung 67: Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Saal, Beitrag des Tageslichts zur
Vertikalbeleuchtungsstärke und relative Dimmstufe der künstlichen Beleuchtung 25.03.2014
250
1,0
200
0,8
150
0,6
100
0,4
50
0,2
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
0,0
MEZ in hh:mm
Vertikalbeleuchtungsstärke
Beitrag des Tageslichts zur Vertikalbeleuchtungsstärke
relative Dimmstufe der künstl. Beleuchtung
Abbildung 68: Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Saal, Beitrag des Tageslichts zur
Vertikalbeleuchtungsstärke und relative Dimmstufe der künstlichen Beleuchtung 26.03.2014
67
Die Auswertung der Summenhäufigkeit der Vertikalbeleuchtungsstärke über den gesamten Beobachtungszeitraum (Abbildung 69) ergibt, dass, sobald die künstliche Beleuchtungsanlage aktiviert
war, Werte von über 140 lx auf dem Sensor erzielt wurden, maximal betrugen sie etwa 250 lx. Dieser breite Regelbereich ist einerseits der für die Regelung notwendigen Hysterese geschuldet. Andererseits können auch für verschiedene Ausstellungen im Beobachtungszeitraum unterschiedliche
Sollwerte programmiert worden sein. Weiterhin ist es möglich, dass bei extremen Sonneneinfallswinkeln das Tageslichtsystem nicht immer ideal vor der Sonne schützt. Dabei könnte aufgrund der
nicht vollkommen streuenden Staubdecke teilgerichtetes Sonnenlicht auf den Sensor des Messsystems fallen, was von den Sensoren der Regelungsanlage nicht detektiert und damit nicht ausgeregelt würde.
100
90
Summenhäufigkeit in %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Vertikalbeleuchtungsstärke in lx
Abbildung 69: Summenhäufigkeit der Vertikalbeleuchtungsstärke am Sensor im Saal für Zeiten mit
aktivierter künstlicher Beleuchtungsanlage im Zeitraum November 2013 – August 2014
Energetische Bewertung des künstlichen Oberlichts
Aus den gemessenen Dimmstufen kann unter Berücksichtigung der Dimmkennlinie von T5-Leuchtstofflampen durch Aufsummierung über die Zeit und Multiplikation mit der installierten Gesamtleistung der Beleuchtungsanlage von 1,85 kW der Energieumsatz berechnet werden. Abbildung 70
zeigt beispielhaft den täglichen Energieumsatz in den Monaten Juli und August. Es sind deutlich die
unterschiedlichen Energieumsätze an Wochentagen und Wochenenden zu erkennen, was im Wesentlichen auf kürzere Öffnungszeiten zurückzuführen ist. Weitere Schwankungen sind der unterschiedlichen Tageslichtversorgung geschuldet. In Abbildung 71 sind die Energieumsätze aller gemessenen Monate aufgetragen. Für die künstliche Oberlichtbeleuchtungsanlage ergibt sich ein
hochgerechneter Jahresenergieumsatz von 4000 kWh/a. Über die Nutzungszeiten der Beleuchtungsanlage lässt sich als Vergleichswert ein theoretischer Energieumsatz bei rein geschaltetem Betrieb von 6850 kWh/a errechnen. Damit ergibt sich eine relative Energieeinsparung durch die tageslichtabhängige Regelung von etwa 40 %.
68
25
Energieumsatz in kWh/d
20
15
10
5
0
Abbildung 70: Täglicher Energieumsatz der künstlichen Oberlichtbeleuchtung
im Zeitraum 30.06. – 31.08.2014
450
400
300
250
200
150
100
50
Abbildung 71: Monatlicher Energieumsatz der künstlichen Oberlichtbeleuchtung
im Zeitraum Oktober 2013 – August 2014
69
August
Juli
Juni
Mai
April
März
Februar
Januar
Dezember
November
0
Oktober
Energieumsatz in kWh/m
350
3.2.6 Zusammenfassende Betrachtung zur Museumsbeleuchtung
Die in CIE 157 vorgeschlagenen und in der Praxis verwendeten einfachen Dosimeter sind nur bedingt zur Bewertung der wirksamen Bestrahlung geeignet. So sind die Blaumaßstäbe Nr. 6 bis Nr. 8
für den Einsatz in Museen viel zu unempfindlich. Die Blaumaßstäbe Nr. 4 und Nr. 5 verhalten sich
annähernd gleich und könnten zu einem Maßstab zusammengefasst werden. Lediglich die Blaumaßstäbe Nr. 1 bis Nr. 3 weisen nahezu gleich abgestufte Unterschiede sowohl in der relativen
spektralen Objektempfindlichkeit als auch in der wirksamen Schwellenbestrahlung auf. Daher können nur diese Blaumaßstäbe als Dosimeter im Museum eingesetzt werden. Aufgrund der speziellen
relativen spektralen Objektempfindlichkeit, die auch durch den spektralen Absorptionsgrad () bedingt ist, ist der im Museum häufig verwendete LightCheck® Sensitive nicht als Dosimeter zur Bewertung der Objektschädigung geeignet. Die niedrige wirksame Schwellenbestrahlung ermöglicht jedoch einen Einsatz in kurzzeitigen Sonderfällen wie z. B. zur Überprüfung der Bestrahlung während
eines Transports des Ausstellungsstückes.
Mit dem Ersatz der herkömmlichen HGL- durch LED-Strahler konnte eine erhebliche Energieeinsparung um bis zu 70 % erzielt werden. Im gedimmten Betrieb kann sich dieser Wert aufgrund der besser geeigneten Dimmkennlinie der LEDs noch weiter erhöhen. Dies geht einher mit einer verringerten Objektschädigung durch UV- und kurzwellige sichtbare Strahlung. Gleichzeitig ermöglicht die
LED-Technik eine Beleuchtung ohne thermische Belastungen der Objekte durch IR-Strahlung.
Bei der Auswahl der LED-Leuchten muss eine Balance zwischen maximaler Energieeffizienz und optimaler Farbwiedergabe gefunden werden. Sehr effiziente Leuchten erreichen meist für Ausstellungszwecke nur befriedigende Farbwiedergabewerte, wohingegen Lösungen, die ein besonders breites
Spektrum aufweisen, definitionsbedingt aufgrund der V()-Bewertung geringere Lichtausbeuten erzielen. Da das Schädigungspotenzial direkt von der ähnlichsten Farbtemperatur abhängt, ist bei der
Wahl der LED-Leuchten eine Abwägung der konservatorischen Anforderungen unerlässlich.
Das Monitoring der Beleuchtungssituation im Oberlichtsaal der Kunsthalle Mannheim ergab, dass
die Beleuchtungsstärke im Raum durch die Regelungsanlage im Rahmen der technischen Möglichkeiten ausreichend konstant gehalten werden konnte. Es zeigte sich aber ein über das gesamte Jahr
gleichbleibend hoher Energieumsatz, der dem stationären Sonnenschutzsystem geschuldet ist, das
die Nutzungszeiten und damit die Energieeinsparung durch die Tageslichtnutzung erheblich verringert. Hier könnte die Energieeinsparung durch den Einsatz eines dynamisch geregelten Tageslichtsystems erhöht werden, bei dem z. B. der Sonnenschutz nur bei Bedarf aktiviert wird. Dazu zeigt
[Belendorf u.a., 2009] ein Verfahren zur Berechnung der Energieeinsparpotenziale derartiger geregelter Tageslichtsysteme.
Die aus den Messwerten des Energieumsatzes und den Nutzungszeiten ermittelte relative Energieeinsparung durch die Regelung der künstlichen Oberlichtbeleuchtung fällt mit 40 % sehr hoch aus.
Dies ist auf die baulich bedingte geringe Tageslichtversorgung zurückzuführen, wo eine Regelung
gegenüber dem geschalteten Betrieb eine entsprechend hohe Energieeinsparung erzielen kann. Außerdem werden in der realen Anwendung ungeregelte Systeme aber auch dauerhaft im abgesenkten Dimmbetrieb eingestellt, was die relative Einsparung durch ein Regelungssystem reduzieren würde. Insgesamt ließe sich an dieser Position durch Einsatz der LED-Technik gegenüber der T5-Leuchtstofflampentechnik schon alleine aufgrund der unterschiedlichen Dimmkennlinien Energie einsparen.
70
3.3 Büroräume in Verwaltungsgebäuden
Die energetische Optimierung der Beleuchtung von Büroarbeitsplätzen ist mit spezifischen Fragestellungen verbunden, die sich aus dem Nutzerprofil und dem Gebäudetyp ergeben. Dazu wurde
ein Bürogebäude untersucht, das mit neuen LED-Stehleuchten ausgestattet wurde, die über einen
Direkt- und einen Indirektanteil verfügen. Dieses Gebäude eignete sich besonders für eine Evaluierung, da sich LED-Leuchten bisher vor allem in Anwendungen etabliert haben, bei denen sie eine
wirtschaftliche Alternative darstellen. Wesentliche Argumente für den Einsatz von LED-Leuchten sind
deren effizienter Betrieb sowie die Realisierung von Zusatzfunktionen, so dass sie wegen ihrer Lebensdauer und Dimmbarkeit nun auch in Büroräumen in Konkurrenz nicht nur zu Leuchtstofflampen
sondern auch zu Hochdruckentladungslampen treten.
Im Bonner Hauptgebäude des Bundesrechnungshofes (BRH) mit insgesamt 322 Büroräumen für ca.
450 Mitarbeiter wurden relevante lichttechnische, farbmetrische und energetische Messungen
durchgeführt. Dazu wurde auch ein Messsystem aufgebaut, das in 40 repräsentativ ausgewählten
Büroräumen ein Jahr lang die entsprechenden Größen in 5-Minuten-Intervallen ermittelte. Der jährliche Energiebedarf Q ist dann mit den nach DIN V 18599-4 berechneten Werten nach EnEV 2009
verglichen worden.
3.3.1 Anforderungen an die Beleuchtung in Büroräumen
Für Büroräume gibt die DIN EN 12464-1 klare Vorgaben bezüglich der Beleuchtungsstärken auf
dem Arbeitsplatz und der Umgebung. So wird im Bereich der Arbeitsaufgabe einen Wartungswert
der Beleuchtungsstärke Ēm von 500 lx bei einer Gleichmäßigkeit U0 von 0,6 gefordert. Im unmittelbaren Umgebungsbereich müssen mindestens 300 lx erreicht werden. Im Hintergrundbereich muss
davon noch ein Drittel erreicht werden. Zum Erreichen angemessener Umfeldleuchtdichten sind bei
üblichen Reflexionsgraden der Raumbegrenzungsflächen für die Wände im Büroraum Wartungswerte der Beleuchtungsstärke von mindestens 75 lx und für die Decke von mindestens 50 lx notwendig.
Der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra soll dabei einen Wert von 80 nicht unterschreiten. Für
Bildschirmarbeitsplätze müssen die Leuchten und deren Positionierung so gewählt werden, dass Reflexblendung auf den Bildschirmen verhindert bzw. unter einer vom Bildschirm und Anwendung abhängigen maximalen Leuchtdichte bleibt. Ergänzend wird in DIN EN 12464-1 noch auf die Vorteile
der Tageslichtbeleuchtung hingewiesen, jedoch ohne quantitative Vorgaben zu machen.
Um die Sicherheit und den Gesundheitsschutz von Beschäftigten in den Büroräumen sicherzustellen,
ergänzt die Arbeitsstättenrichtlinie A3.4 [ASR A3.4] vor allem in diesem Bereich die Angaben der
DIN EN 12464-1. Hervorzuheben ist die Angabe einer minimalen mittleren Vertikalbeleuchtungsstärke von 175 lx für Sehaufgaben auf vertikalen Flächen.
Die Arbeitsstättenverordnung [ArbStättV] setzt diese Anforderungen in geltendes Recht um, indem im
Abschnitt „3.4 Beleuchtung und Sichtverbindung“ festgelegt wird, dass Arbeitsstätten „möglichst
ausreichend Tageslicht erhalten und mit Einrichtungen für eine der Sicherheit und dem Gesundheitsschutz der Beschäftigten angemessenen künstlichen Beleuchtung ausgestattet sein“ müssen.
Weiterhin dürfen sich durch die Beleuchtung keine Unfallgefahren ergeben.
71
3.3.2 Tageslichtbeleuchtung
Die einachsigen Räume sind mit zwei Fenstern ausgestattet und weisen eine Raumbreite von 3,5 m
auf. Die 1,5-achsigen Räume haben bei einer Raumbreite von 5,25 m drei Fenster. Die Raumtiefe
aller Büros beträgt 5,0 m, die Raumhöhe 3,9 m. Die Anordnung der Arbeitsplätze und die individuelle Gestaltung der Büroräume haben einen entscheidenden Einfluss auf die Tageslichtbeleuchtung
an den Arbeitplätzen. Abbildung 72 zeigt Fotos zweier Tageslichtsituationen.
Abbildung 72: Tageslichtbeleuchtung: Zusätzliche Verschattung durch Fenstervorhänge
Zur Beurteilung der Tageslichtversorgung der Räume wird wie in Abschnitt 3.1.3 der Tageslichtquotient herangezogen. Zur Ermittlung der Verteilung des Tageslichtquotienten auf der Nutzebene wurden mehrere Simulationen bei verschiedenen Verbauungssituationen z. B. durch seitliche Gebäudeteile im Innenhof oder Vegetation vor den Fenstern durchgeführt. In Abbildung 73 sind die Ergebnisse grafisch dargestellt.
Abbildung 73: Simulation der Verteilung des Tageslichtquotienten auf der Nutzebene:
links: ohne Verbauung; mittig: geringe Verbauung im 2. OG; rechts: starke Verbauung im EG
Es ist zu sehen, dass sich der einer guten bzw. mittleren Tageslichtversorgung entsprechende Tageslichtquotient in der Raummitte von 4 % bzw. 2,5 % (ohne bzw. geringe Verbauung) durch seitliche
72
und gegenüberliegende Gebäudeteile sowie durch Vegetation auf ca. 1,5 % bei starker Verbauung
reduziert. Dies entspricht dann nur noch einer geringen Tageslichtversorgung.
Bei der Aufnahme der Beleuchtungssituation in den 40 repräsentativen Räumen stellte sich heraus,
dass 75 % aller Arbeitsplätze in der Fensternähe und weitere 23 % in der Raummitte aufgestellt waren. Lediglich ein Arbeitsplatz war in der Tiefe des Raums aufgestellt. Dies bedeutet, dass die Tageslichtversorgung am Arbeitsplatz im Mittel gut bis sehr gut ist. Dies wird durch eine Befragung der
Nutzer bezüglich der Tageslichtbeleuchtung bestätigt, bei der sich lediglich eine leichte Tendenz ergab, den Arbeitsplatz und den Raum als zu dunkel einzuschätzen [Aydınlı u.a., 2013].
3.3.3 Künstliche Beleuchtungsanlage
Bestandsanlage
Die alte künstliche Beleuchtung war als eine direkte Beleuchtung mit Spiegelraster-Deckenanbauleuchten ausgeführt, die mit jeweils einer T8-Leuchtstofflampe 36 W und VVG ausgestattet waren.
Die künstliche Beleuchtung war weder mit Präsenzmeldern noch einer tageslichtabhängigen Regelung versehen. Die Büroräume mit zwei Fenstern (einachsig) waren mit zwei Leuchtenreihen mit je
zwei Leuchten ausgestattet; in den Büroräumen mit drei Fenstern (1,5-achsig) waren zwei Leuchtenreihen mit je drei Leuchten installiert.
Die Beleuchtungssimulation mit ähnlichen Leuchten zeigt, dass die alte künstliche Beleuchtung nur
als Grundbeleuchtung mit einer mittleren Beleuchtungsstärke von 300 lx diente (Abbildung 74). In
diesem Fall ist eine Tischleuchte für die Arbeitsplatzbeleuchtung notwendig. Ein Interview mit Nutzern bestätigte diese Annahme. Bei den Berechnungen des Energieumsatzes wurde deshalb eine zusätzliche Tischleuchte mit einer 60 W-Glühlampe berücksichtigt.
Emin = 233 lx
Emax = 393 lx
Em = 311 lx
g1 = 0,75
Abbildung 74: Bestandsanlage – Verteilung der Beleuchtungsstärke auf der Nutzebene (0,75 m)
73
Neue LED-Stehleuchte
Sämtliche Büros wurden mit je einer LED-Stehleuchte mit einem Direkt- und einem Indirektanteil neu
ausgestattet. Die Leuchtenlänge beträgt 0,40 m; die Leuchtenbreite 0,20 m und der Abstand zwischen Leuchtenzentrum und Fuß der Leuchte 0,46 m. Die 18 LEDs für den Direktanteil sind jeweils
mit unterschiedlichen optischen Systemen kombiniert, die manuell zuschaltbaren LEDs für den Indirektanteil sind dagegen freibrennend. Lichttechnische Vermessungen im Labor ergaben die in
Abbildung 75 gezeigten asymmetrischen Lichtstärkeverteilungskurven. Die Leuchte ist damit für eine
Aufstellung seitlich des Arbeitsplatzes optimiert. Die Systemlichtausbeute beträgt für die gesamte
Leuchte 55 lm/W bei einer elektrischen Leistung von 130 W.
Die Stehleuchte ist mit einem Stand-Alone DALI-Regelsystem ausgestattet, dass über einen Präsenzund Helligkeitssensor verfügt. Mit Hilfe des Präsenzsensors schaltet die Leuchte automatisch ein und
aus, über den Helligkeitssensor wird der Lichtstrom tageslichtabhängig geregelt. Die Sollbeleuchtungsstärke auf dem Arbeitsplatz kann über einen Taster vom Nutzer individuell eingestellt und gespeichert werden.
Messungen der spektralen Bestrahlungsstärke in der Nutzebene zeigen keine UV- und IR-Strahlung,
die ähnlichste Farbtemperatur Tcp fällt mit 6100 K relativ hoch aus, kommt so aber der Farbtemperatur des mittleren Tageslichts D65 sehr nahe. Dagegen ist der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra
kleiner als 80. Damit werden die Vorgaben der DIN EN 12464-1 für die Bürobeleuchtung nicht erfüllt. Zusätzlich ist die Farbwiedergabe für gesättigtes Rot mit R9 = -28 besonders niedrig.
Abbildung 75: LVK LED-Leuchte direkter Anteil links, indirekter Anteil rechts
Diese messtechnisch gewonnenen Lichtstärkeverteilungskurven wurden in eine Lichtberechnungssoftware als Leuchte importiert und die Beleuchtungssituation für einen einachsigen Büroraum
simuliert. Abbildung 76 zeigt beispielhaft ein Simulationsergebnis als Rendering.
74
Abbildung 76: Simulation der Beleuchtungssituation in einem einachsigen Büroraum im BRH
3.3.4 Energetische Bewertung der Beleuchtungsanlage
Bewertung der Tageslichtbeleuchtung
Auf Grundlage der in Abschnitt 3.3.2 ermittelten Werte des Tageslichtquotienten in der Raummitte
wurden die einzelnen Räume des Haupthauses des Bundesrechungshofs einer Tageslichtversorgungskategorie zugeordnet. In Tabelle 23 sind die Orientierung, die zugeordnete Tageslichtversorgung und die Anzahl der Räume wiedergegeben.
Tabelle 23: Orientierung, zugeordnete Tageslichtversorgung und Anzahl der Büroräume
Raum
Orientierung
Tageslichtversorgung
Anzahl der Räume
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
Einachsig
NO
SW
SW
SW
SO
SO
SO
NW
NW
gut
gut
mittel
gering
gut
mittel
gering
mittel
gering
79
21
51
25
3
35
18
38
20
1,5-achsig
1,5-achsig
1,5-achsig
1,5-achsig
1,5-achsig
NO
SW
SW
SO
SO
gut
mittel
gering
mittel
gering
22
2
1
5
2
75
Bewertung der Beleuchtung nach DIN V 18599-4
Die alte künstliche Bürobeleuchtung und die neue Beleuchtung mit LED-Stehleuchten wurden nach
DIN V 18599-4 energetisch bewertet und der Beleuchtung des Referenzgebäudes nach EnEV 2009
gegenübergestellt. In Abbildung 77 und Tabelle 24 sind die elektrische Leistung P in kW und der
berechnete jährliche Energiebedarf Q in MWh/a für drei Beleuchtungsarten im Vergleich dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass der Energiebedarf der alten künstlichen Beleuchtung trotz deutlich niedrigerer installierter Leistung nahezu dem Wert des Referenzgebäudes entspricht. Das liegt
daran, dass die alte Beleuchtungsanlage als eine arbeitsplatzorientierte Beleuchtung – Grundbeleuchtung mit einer mittleren Beleuchtungsstärke von 300 lx und einer Arbeitsplatzleuchte – geplant
war. Die Gesamtleistung der Beleuchtung mit LED-Stehleuchten liegt im Vergleich zur alten Beleuchtung um 44 % und der jährliche Energiebedarf um 67 % niedriger als die der alten Beleuchtung.
100
Alte Beleuchtung
Referenz nach EnEV 2009
LED Stehleuchte
90
80
kW bzw. MWh/a
70
60
50
40
30
20
10
0
P in kW
Q in MWh/a
Abbildung 77: Gesamtleistung P und jährlicher Energiebedarf Q der drei Beleuchtungsarten
Tabelle 24: Leistung und jährlicher Energiebedarf im Vergleich
Leistung
in kW
Jährlicher Energiebedarf
in MWh/a
Bestandsanlage
74,4
83,1
Referenz nach EnEV 2009
99,5
84,2
LED-Stehleuchte
41,5
27,6
Bestandsanlage – LED-Leuchte
32,8
55,5
in %
44
67
76
Aus Abbildung 77 ist erkennbar, dass sich die LED-Beleuchtung in der Beurteilung nach EnEV 2009
deutlich besser als die alte Beleuchtung darstellt. Dies gilt für die Gesamtleistung und besonders
stark für den jährlichen Energiebedarf, dessen Verringerung sich auf drei Anteile stützt (Abbildung
78):
1. Der Einfluss der Leuchte aufgrund besserer Energieeffizienz liefert einen Anteil von 64 % an
der Gesamtreduzierung des jährlichen Energiebedarfs.
2. Die Installation eines Präsenzmelders trägt zu 19 % zur Verminderung bei.
3. Die tageslichtabhängige Regelung der Leuchte hat 17 % Anteil an der Verringerung.
Leuchte
Präsenzmelder
Regelung
17%
19%
64%
Abbildung 78: relative Anteile der technischen Maßnahmen an der Energieeinsparung
3.3.5 Monitoring der Bürobeleuchtung
Dezentrale Messtechnik
In 40 ausgewählten Büroräumen wurden von Anfang März 2012 bis Ende März 2013 über ein Jahr
relevante lichttechnische Größen in 5-Minuten-Intervallen aufgenommen. Hierfür wurde das in Abschnitt 3.2.5 beschriebene Messsystem verwendet. Die Sensorplatinen wurden entsprechend an die
Erfordernisse angepasst. Es wurden Sensoren zur Erfassung von Beleuchtungsstärke, Dimmstufe und
Raumtemperatur aufgebaut. Die elektrische Leistungsaufnahme der LED-Leuchten wurde über ein
von der Haustechnik des BRH betriebenes funkgestützes Messsystem ermittelt.
Der modulare Aufbau erlaubt eine spezielle Anpassung der Sensorplatine an die Anforderungen
des Monitorings im BRH: Das Monitoringsystem ist so ausgelegt, dass an den Bezugspunkten die
horizontale Beleuchtungsstärke, der Einschaltzustand des Indirektanteils sowie die Raumtemperatur
in einem Messintervall von fünf Minuten gemessen und für eine spätere Auswertung registriert werden können. Das Grundmodul des Messsystems war wieder ein Datenschreiber, dessen Stromversorgung durch ein externes 5V-Netzteil bereitgestellt wurde, zur Überbrückung kürzerer Ausfallzeiten
der Spannungsversorgung wurde ein Gold-Cap-Kondensator dazugeschaltet.
77
Der mit einer S1087-Photodiode realisierte Sensor zur Ermittlung des Einschaltzustands des oberen
Leuchtenteils und der Dimmstufe wird direkt an den LEDs im oberen Leuchtenteil befestigt und wird
über eine geschirmte Signalleitung per Steckverbindung an das Messsystem angeschlossen
(Abbildung 79).
externer
Dimmstufensensor
Sensor für horizontale
Beleuchtungsstärke
Abbildung 79: Messsystem mit Sensoren für Beleuchtungsstärke und Dimmstufe
Auswertung
Für die Ermittlung des Jahresenergiebedarfs der LED-Stehleuchten wurde von der Haustechnik des
Bundesrechnungshofs ein funkgestütztes Leistungsmesssystem eingesetzt, dass in den 40 zur Untersuchung ausgewählten Büroräumen zum jeweiligen Zeitpunkt die Leistung misst. Die Leistungsmessdaten wurden in Tabellenform auf einem zentralen Rechner gespeichert.
Zur Auswertung wurden die im Verlauf des Jahres vom April 2012 bis März 2013 gesammelten ca.
9 Millionen Datensätze zunächst in eine SQL-Datenbank importiert. Mit Hilfe einer speziell erstellten
Analysesoftware wurden fehlende Datensätze interpoliert, die aufgrund der nicht zu 100 % ausfallsicheren Funkübertragung auftreten konnten.
Durch Integration der Leistungsmesswerte über die entsprechenden Zeiträume ergaben sich die in
Tabelle 25 eingetragenen monatlichen Energieumsätze für die Beleuchtung in den einzelnen Räumen. Die Summation der Monatswerte ergab jeweils den Jahresenergieumsatz. Ergänzend ist die
Kategorie der Tageslichtversorgung für jeden Raum eingetragen. Die Sortierung erfolgte nach dem
Jahresenergieumsatz in aufsteigender Reihe.
78
TageslichtVersorgung
gut
mittel
gering
mittel
mittel
mittel
mittel
gut
gut
gut
mittel
mittel
mittel
mittel
mittel
gering
gut
mittel
mittel
mittel
mittel
gering
mittel
gut
mittel
gering
mittel
gering
gut
gering
gering
gering
mittel
mittel
gering
gut
mittel
gering
mittel
gering
Raumnummer
610
354
280
430
390
383
368
524
406
625
426
472
394
321
487
240
203
443
337
458
342
286
384
504
484
265
493
238
410
254
223
221
470
445
268
305
323
253
372a
278
345
385
116
429
220
562
376
549
664
1191
1333
570
815
662
980
407
760
648
406
681
597
795
917
176
880
334
1508
540
900
622
1054
1175
800
1445
333
854
1223
767
1020
350
eingestellter
Sollwert EAP
0,4
0,3
0,5
1,0
2,2
1,0
1,0
1,8
1,2
1,1
4,0
0,7
0,9
0,5
1,1
0,6
0,8
3,5
2,1
1,2
1,0
2,1
0,2
4,4
2,7
2,4
1,3
2,3
0,7
3,0
5,1
2,9
2,3
4,8
8,8
5,5
9,9
6,6
7,1
9,5
0,3
0,2
0,9
0,6
1,2
1,0
0,7
0,8
0,8
0,5
2,7
0,8
1,6
0,4
3,7
1,6
0,9
2,7
4,0
1,7
2,0
2,2
0,4
2,6
4,0
2,6
1,2
3,5
1,1
4,2
6,1
5,7
2,6
4,1
9,0
5,3
7,4
13,6
5,1
9,9
0,2
0,5
1,1
0,7
1,1
1,1
0,5
1,0
0,9
0,5
0,3
1,1
0,7
0,6
3,4
2,2
0,7
2,6
7,1
1,8
2,1
0,7
2,0
2,2
2,6
3,1
1,7
6,4
2,6
2,7
6,4
5,5
4,0
4,8
10,0
6,3
5,1
11,4
13,2
8,7
0,3
0,3
0,6
0,6
1,2
1,0
1,2
0,4
2,2
3,1
2,5
0,6
1,8
1,1
0,8
2,5
2,3
0,6
3,4
0,7
4,5
2,9
1,0
5,0
6,0
3,2
1,6
4,6
2,4
6,3
4,8
9,1
4,3
8,6
8,6
8,8
14,8
12,7
21,4
15,1
0,3
0,1
1,0
0,7
1,0
1,8
0,9
0,9
1,5
1,4
2,8
0,8
2,0
1,2
4,0
4,4
2,5
1,1
3,3
2,5
4,0
3,4
0,2
5,6
2,6
5,3
2,9
6,3
0,9
8,3
4,5
10,8
2,7
13,0
11,0
3,8
8,0
14,0
17,7
12,6
0,3
1,2
1,2
0,8
2,0
1,3
1,1
0,5
1,8
1,7
1,4
1,3
1,1
1,4
2,7
3,3
2,1
3,4
7,0
3,1
2,4
3,9
3,5
3,7
3,0
4,0
2,3
7,5
4,3
7,9
6,1
10,0
8,8
0,6
10,0
7,8
13,4
13,5
14,7
18,0
0,6
1,5
1,5
1,3
1,5
1,9
3,5
1,8
2,5
2,4
2,1
3,8
3,2
2,8
1,8
1,7
3,6
4,7
3,3
5,1
3,9
5,1
6,8
4,7
3,2
7,0
5,0
5,4
9,5
10,7
6,1
14,3
16,9
8,3
11,2
14,6
13,0
14,9
18,2
21,7
1,0
1,5
1,6
1,3
2,5
2,3
4,0
3,6
3,0
0,3
3,4
5,8
4,2
4,0
3,1
3,5
3,4
7,4
1,7
7,0
6,5
5,8
7,1
6,7
4,0
6,2
8,7
7,5
14,1
10,5
9,9
13,2
25,6
10,1
13,8
17,5
14,7
19,2
14,5
12,3
2,2
2,3
1,6
3,0
2,8
2,1
2,3
5,5
3,9
5,5
2,2
3,5
5,5
4,4
4,1
3,6
4,8
3,3
2,1
7,4
4,8
6,3
8,9
4,9
4,7
9,5
11,1
7,3
19,7
6,9
7,2
16,2
19,6
15,8
10,2
20,8
15,0
16,7
16,2
13,7
1,1
3,1
1,8
1,9
1,8
3,4
2,3
2,5
3,1
4,9
2,6
5,3
5,8
7,9
3,5
3,3
5,6
4,2
2,0
7,6
7,9
7,3
10,9
4,6
10,0
4,4
13,5
7,5
13,2
11,4
15,9
8,9
12,2
18,8
16,3
16,7
20,0
21,0
12,8
18,9
0,6
1,5
0,6
2,4
1,8
2,1
1,7
1,6
2,1
4,0
1,7
4,0
3,3
5,2
2,5
4,5
6,2
3,0
1,7
3,2
5,6
5,0
5,1
4,4
8,1
6,4
10,1
6,7
5,1
7,1
11,5
5,9
8,0
15,2
10,7
13,2
15,2
14,1
18,3
15,8
0,2
0,1
0,5
1,4
1,5
1,6
1,6
0,6
1,6
1,0
1,1
1,7
1,1
1,5
1,6
3,0
3,8
2,1
1,0
3,4
3,6
3,6
2,6
2,7
4,4
4,3
6,8
5,7
3,8
3,4
7,7
7,3
5,2
9,3
7,9
9,4
11,0
11,6
11,7
20,0
7
12
13
16
21
21
21
21
25
26
27
29
31
31
32
34
37
39
39
45
48
48
49
52
55
58
66
71
77
82
91
110
112
113
127
130
148
169
171
176
Apr 12 Mai 12 Jun 12 Jul 12 Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13 Jahreswerte
Tabelle 25: Energieumsatz für die Beleuchtung der 40 ausgewählten Räume;
Monatswerte in kWh/M, Jahreswerte in kWh/a
unteres Drittel
mittleres Drittel
79
oberes Drittel
Aufgrund der extremen Unterschiede zwischen den Jahresenergieumsätzen einzelner Räume (Minimalwert: 7 kWh/a; Maximalwert: 176 kWh/a) wurden für die folgenden Betrachtungen die 40 Räume in drei annähernd gleichgroße Teile geteilt (13-14-13). Für jedes Drittel wurden monatliche
Mittelwerte gebildet. Tabelle 26 zeigt die Werte zusammen mit den Mittelwerten aller 40 Räume
und den jeweiligen Jahreswerten. Eine grafische Darstellung ist in Abbildung 80 gezeigt.
Tabelle 26: Mittlerer Energieumsatz pro Monat in kWh/M und Jahressumme in kWh/a
Mittelwert
in kWh/M
Apr Mai Jun Jul Aug Sep
12
12
12 12
12
12
Okt
12
Nov
12
Dez
12
Jan
13
Feb
13
Mrz
13
Jahressumme
alle
Räume
2,7
3,0
3,2
4,3
4,3
4,6
6,3
7,3
7,7
8,2
6,1
4,3
62,0
unteres
Drittel
1,2
0,8
0,7
1,2
1,1
1,2
2,1
2,6
3,2
3,2
2,3
1,1
20,7
mittleres
Drittel
1,7
2,2
2,3
2,6
3,1
3,2
4,2
5,4
5,8
6,5
4,9
3,1
45,2
oberes
Drittel
5,3
6,0
6,7
9,3
8,7
9,4
12,7 14,1 14,2 14,9 11,3
8,8
121,4
20
18
Energieumsatz in kWh/M
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Apr 12
Mai 12 Jun 12
Jul 12
Aug 12 Sep 12 Okt 12
unteres Drittel
mittleres Drittel
Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13
oberes Drittel
Abbildung 80: mittlerer Energieumsatz in den zum Monitoring ausgewählten Räumen
In den drei Dritteln zeigt sich ein deutlicher Jahresverlauf. In den Frühlings- und Sommermonaten ist
der monatliche Energieumsatz für die Beleuchtung niedrig, er steigt in den Herbstmonaten an und
erreicht das Maximum in der dunklen Jahreszeit im Dezember und Januar. In der Darstellung der
Ergebnisse ist jedoch die in Abbildung 81 gezeigte unterschiedliche Anzahl von Arbeitstagen pro
Monat im Bundesland Nordrhein-Westfalen nicht berücksichtigt. Diese liegen im Mittel etwa bei 20
80
Tagen pro Monat, betrachtet man jedoch die Monate Juli und August sowie den Dezember erklären sich die etwas höheren bzw. niedrigeren Energieumsätze in diesen Zeiträumen.
25
Arbeitstage pro Monat
20
15
10
5
0
Apr 12
Mai 12 Jun 12
Jul 12
Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13
Abbildung 81: Arbeitstage pro Monat in Nordrhein-Westfalen
Vergleicht man nun die in Tabelle 27 gegenübergestellten Jahresenergieumsätze für die Beleuchtung eines durchschnittlichen Raumes und aller Räume im BRH-Haupthaus, dann zeigt sich, dass
die von April 2012 bis März 2013 gemessenen Werte noch unterhalb der nach dem Verfahren der
DIN V 18599-4 ermittelten Werte (siehe Abschnitt 3.3.4) liegen.
Tabelle 27: Vergleich des Energieumsatzes – DIN V 18599-4 und gemessene Werte
Energieumsatz
nach DIN V 18599-4
gemessener Wert
durchschnittlicher Raum
86 kWh/a
62 kWh/a
alle Büroräume im Haupthaus des BRH
27,6 MWh/a
20 MWh/a
Die Tageslichtversorgung hat im Mittel einen Einfluss auf den Energieumsatz, so gehen die geringeren Jahresenergieumsätze im unteren Drittel mit einer mittleren bis guten Tageslichtversorgung einher. Dagegen überwiegen im oberen Drittel die nur gering mit Tageslicht versorgten Büroräume.
Dass jedoch von der Tageslichtversorgung nicht direkt auf den Energieumsatz geschlossen werden
kann, zeigt die Betrachtung einzelner Räume. So ist sowohl mit guter als auch mit geringer Tageslichtversorgung ein hoher oder niedriger Energieumsatz möglich.
Die Gründe für die Unterschiede zwischen den Berechnungsergebnissen und den Messwerten sind
vielseitig. So wird z. B. bei der Berechnung nach DIN V 18599-4 die gesamte Beleuchtungsanlage,
d. h. der direkte und indirekte Anteil, als zusammengeschaltet betrachtet. In der Realität wird dagegen ein Teil der Nutzer den indirekten Anteil gezielt ein- oder ausschalten. Wichtig ist auch zu beachten, dass die Messungen über ein Jahr nicht stellvertretend für alle Jahre gelten können. Die
meteorologischen Schwankungen der einzelnen Jahre können einen erheblichen Einfluss auf die für
81
die Beleuchtung aufzuwendende Energie haben. Die gemessenen Werte betragen etwa 72 % der
berechneten Werte und sind unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren sehr plausibel.
Ein weiterer Faktor, der auch die extremen Unterschiede der Messwerte in den 40 Büroräumen erklären kann, sind die in dieser Untersuchung nicht zu erfassenden Abwesenheitszeiten durch Dienstreisen oder Urlaubszeiten. Wird ein Büro nur selten genutzt, schaltet die Leuchte entsprechend selten ein, so ist der Energieumsatz für diesen Raum entsprechend niedrig.
Die in der zweiten Spalte der Tabelle 25 eingetragenen von den Nutzern selbst eingestellten Sollwerte für die künstliche Beleuchtung haben ebenfalls einen Einfluss auf den Energieumsatz. Auch
hier sind die Unterschiede zwischen den Einzelräumen sehr deutlich. Jedoch lässt sich aus der Einstellung nicht auf den jährlichen Energieumsatz schließen. Sehr hohe und sehr niedrige Einstellungen finden sich in allen Bereichen der Tabelle. Ohne Wissen über die Anwesenheitszeiten der Büronutzer lässt sich daraus keine Vorhersage tätigen. Gleiches gilt für die Tageslichtversorgung der einzelnen Räume. Diese hat zwar einen direkten Einfluss auf die theoretischen Energieumsätze für die
Beleuchtung, jedoch müssen die real gemessenen Werte für die Räume damit nicht korrelieren.
Entscheidend ist jedoch, dass das nach DIN V 18599-4 berechnete Energieeinsparpotential als relativer Wert von den oben genannten Einflussfaktoren unbeeinflusst ist. Daher lassen sich die theoretisch ermittelten Werte direkt in der Praxis anwenden.
3.3.6 Zusammenfassende Betrachtung zur Bürobeleuchtung
Durch den Einsatz der LED-Stehleuchten konnte die installierte elektrische Leistung für die Beleuchtung um mehr als die Hälfte verringert werden. Gegenüber den Werten des EnEV 2009-Referenzgebäudes erzielt die Bestandsanlage nahezu gleiche Energieumsätze. Dies kommt dadurch zustande,
dass beim Referenzgebäude der gesamte Raum auf der Nutzebene mit dem Wartungswert der Beleuchtungsstärke beleuchtet wird, die Bestandsanlage aber nach dem Konzept der arbeitsplatzorientierten Beleuchtung geplant wurde.
Der energetische Vergleich der Bestandsanlage mit den neuen LED-Leuchten nach DIN V 18599-4
ergab eine Reduzierung des Jahresendenergiebedarfs für die Beleuchtung in den Büroräumen um
zwei Drittel. An dieser Reduzierung hat die moderne Lampen- und Leuchtentechnik einen relativen
Anteil von 64 %, 19 % geht auf den Einsatz von Präsenzmeldern und 17 % auf die Verwendung intelligenter Regelungstechnik zurück.
Die aus Messungen in 40 ausgewählten repräsentativen Büroräumen ermittelten Werte des jährlichen Energieumsatzes für den Zeitraum April 2012 bis März 2013 ergaben um etwa 30 % geringere Werte als bei der Berechnung nach DIN V 18599-4. Einer der vielseitigen Gründe ist die Tatsache, dass die zur Berechnung zugrunde liegenden Werte der DIN V 18599-10 mittlere Werte für eine durchschnittliche Nutzung über eine Vielzahl von Jahren darstellen. Diese müssen also nicht
zwingend zu 100 Prozent für einzelne Jahre für ein bestimmtes Bürogebäude zutreffen. Weiterhin
zeigten die Messungen einen Zusammenhang zwischen der Tageslichtversorgung in den Büros und
dem Energieumsatz auf. Allerdings gilt dies nur im Mittel, es können keine Vorhersagen für einzelne
Räume getroffen werden.
82
4 Ausreichende Beleuchtungsstärke bei seitlichem Tageslichteinfall
In diesem Teil der Arbeit wird, wie in Kapitel 2.2 geschildert, der Einfluss des seitlichen Tageslichteinfalls auf die Sehleistung und damit der Einfluss der Leuchtdichtekontrastwiedergabe mit Probandenversuchen unter kontrollierten Beleuchtungsbedingungen im Labor untersucht. Dazu wurde ein
Testraum auf der Basis einer beleuchtungstechnischen Planung realisiert, der sowohl mit einer konventionellen künstlichen Beleuchtungsanlage beleuchtet werden kann, aber auch durch ein Fenster,
das von einem künstlichen Himmel beleuchtet wird [Gramm u.a., 2013]. Im Folgenden werden zunächst die Hintergründe aufgezeigt, die zur Fragestellung führten und ein geeignetes Versuchsdesign entwickelt.
4.1 Reflexblendung und Kontrastwiedergabefaktor
Als Reflexblendung „wird die Beeinträchtigung der visuellen Informationsaufnahme durch Spiegelung heller Flächen an glänzenden Oberflächen“ bezeichnet [LiTG, 1991]. Dabei muss zwischen
der psychologischen Störung durch Ablenkung des Beobachters aufgrund heller Flächen im Umfeld
der Sehaufgabe und der physiologischen Störung des Sehvorgangs durch Kontrastminderung im
Infeld unterschieden werden.
Im Umfeld können Flächen mit gegenüber der mittleren Leuchtdichte der Sehaufgabe hohen
Leuchtdichten die Blickrichtung vom eigentlichen Sehdetail ablenken, sodass eine unerwünschte
Verschiebung der Aufmerksamkeit möglich ist. Dabei können wiederholte Adaptationsvorgänge an
die hohe Leuchtdichte der Reflexion und an die Leuchtdichte der eigentlichen Sehaufgabe nötig
sein, was Ermüdung verursachen kann. Für die Beschreibung dieser Effekte sind bisher keine Kriterien bekannt.
Zur Bewertung der durch die Minderung des Kontrasts bedingten Reflexblendung im Infeld wurde
1991 von der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft LiTG der von [Egger, 1984] vorgestellte sogenannte Kontrastwiedergabefaktor CRF (Contrast-Rendering-Factor) als weiteres Gütekriterium der
Innenraumbeleuchtung festgelegt [LiTG, 1991]. Er beschreibt das Verhältnis des Leuchtdichtekontrastes einer Sehaufgabe bei der zu bewertenden Beleuchtung C zu dem Leuchtdichtekontrast der
gleichen Sehaufgabe bei einer Referenzbeleuchtung C0. Diese Referenzbeleuchtung ist definiert als
vollkommen diffus strahlende Halbkugel mit konstanter Leuchtdichte.
83
Der Kontrastwiedergabefaktor berechnet sich wie folgt:
CRF 
C
C0
wobei gilt:
CRF > 1
Kontrastwiedergabe mit gegebener Beleuchtung ist besser als mit Referenzbeleuchtung
CRF = 1
Gegebene Beleuchtung ist gleich mit der Referenzbeleuchtung
CRF < 1
Sehaufgabe hat durch gegebene Beleuchtung gegenüber der Referenzbeleuchtung an Kontrast verloren
Dabei ist der Leuchtdichtekontrast definiert als:
C
Lu  Lo
Lu
mit:
Lu: Leuchtdichte des unmittelbaren Umfelds
Lo: Leuchtdichte des Sehobjektes
Mit dieser durch den CRF beschreibbaren physiologischen Beeinträchtigung des Sehvorgangs können zusätzlich auch psychologische Störungen einhergehen, für die bisher keine Bewertungskriterien
existieren. So können zu hohe Leuchtdichten zu direkter Blendung führen, die Akkomodations-, Vergenz- und Fusionsschwierigkeiten bedingt. Diese Störungen sind nach [LiTG, 1991] im Vergleich zu
der von der Kontrastminderung verursachten Störung relativ gering, solange die Kontrastwiedergabeeigenschaften der Beleuchtungsanlage und damit die Werte des CRF hoch genug sind.
Im Absatz 4.5.4 „Schleierreflexionen und Reflexblendung“ der DIN EN 12464-1 werden allgemeine
Vorschläge zur Vermeidung dieser Effekte gegeben, wie z. B. die Anordnung der Arbeitsplätze in
Bezug zu den Leuchten, Fenstern und Dachoberlichtern. Ist die Raumnutzung zum Zeitpunkt der Beleuchtungsplanung jedoch unbekannt, wird zumeist eine allgemeine Beleuchtung vorgesehen, die
in ungünstigen Fällen zur Anordnung der Leuchten direkt über dem Arbeitsplatz führen kann.
Daher ist bei der Innenraumbeleuchtung zu beachten, dass der Winkel von den Leuchten oder Tageslichtöffnungen zum Beobachter eine entscheidende Rolle spielt. Die beschriebene Kontrastminderung tritt nur auf, wenn die Leuchten so ungünstig zum Arbeitsplatz angeordnet sind, dass Reflexblendung entsteht. Bei seitlich einfallendem Tageslicht, ist allein aus der Geometrie zu erkennen,
dass Reflexblendungen wenn überhaupt nur minimal auftreten können (Abbildung 82). Daher sind
Petrys Ergebnisse der besseren Sehbedingungen bei seitlich einfallendem Tageslicht nicht zu bestreiten [Petry, 1984]. Und es ist zu erwarten, dass sich für stark glänzende Proben bei seitlich einfallendem Tageslicht sehr viel bessere CRF-Werte einstellen, als bei direkter künstlicher Beleuchtung. Die
durch die Reflexblendung hervorgerufenen Störungen korrelieren somit mit dem CRF. Daraus zieht
Petry die Schlussfolgerung, dass der Wartungswert der Beleuchtungsstärke für seitlich einfallendes
84
Tageslicht herabgesetzt werden kann. Es ist dabei aber nicht nachgewiesen, ob die Kontrastminderung durch die künstliche Beleuchtung wirklich die Sehleistung und damit die Arbeitsleistung des
Menschen vermindert.
Abbildung 82: Geometrien verschiedener Lichteinfallsrichtungen [Hartwig, 2013]
Die Effekte der Verringerung des CRF treten allerdings nur bei stark glänzenden Flächen bzw. Flächen mit vorwiegend gerichteter Reflexion auf, nicht so bei komplett diffus reflektierenden matten
Oberflächen. [Fischer, 1981] bemerkt, dass die Gefahr durch Kontrastminderung nicht überbewertet werden sollte, da bei Beleuchtungsstärken um 500 lx die Decke nicht so stark mit Leuchten gefüllt sei, dass man den Störungen nicht durch einfache Änderung der Blickrichtung oder Lage der
Sehaufgaben ausweichen könnte.
Es ist jedoch auch möglich, dass die bessere Kontrastwiedergabe nicht die einzige Ursache darstellt,
die zur Akzeptanz niedrigerer Beleuchtungsstärken bei Tageslichtbeleuchtung führen. So wird die
Qualität der Beleuchtung nicht nur durch die Sehleistung bestimmt, sondern auch durch das Wohlbefinden. Es ist möglich, dass eine Tageslichtverteilung im Raum zu einem größeren Wohlbefinden
führt, als eine Lichtverteilung der künstlichen Allgemeinbeleuchtung. Ebenso kann allein das Wissen
über die Präsenz von Tageslicht ein größeres Wohlbefinden bewirken.
4.2 Versuchsdesign
Zur Untersuchung der Einflüsse des CRF auf die Sehleistung und zur Verifizierung der theoretischen
Berechnungen wurde der im folgenden beschriebene Probandenversuch durchgeführt, bei dem verschiedene Parameter gezielt variiert wurden, die Einfluss auf die Sehbedingungen haben könnten.
4.2.1 Parameter
Papiersorten
Die Kontrastminderung durch Reflexblendung ist abhängig von den Reflexionseigenschaften des Papiers. Da nicht alle im täglichen Gebrauch vertretenen Papiersorten untersucht werden können,
aber trotzdem ein breiter Bereich abgedeckt werden soll und da bekannt ist, dass die Kontrastminderung nur bei glänzenden Papiersorten auftritt, wurden zwei glänzenden Papiersorten, seidenmattes und hochglänzendes Papier, und ein mattes Papier ausgewählt. Eine genaue Beschreibung der
Papiersorten ist in Abschnitt 4.4.5 zu finden.
85
Beleuchtungsstärke
Es wurden die drei Beleuchtungsstärkeniveaus 100 lx, 300 lx und 500 lx ausgewählt. Diese Abstufungen sind in Anlehnung an die Beleuchtungsstärkeskala in DIN EN 12464-1 Abs. 4.3.2 ausgesucht, um wahrnehmbare Unterschiede zu erhalten. 500 lx wurden gewählt, da sie in DIN EN
12464-1 Absatz 5.26.2 für Lese und Schreibtätigkeit in Büroräumen angesetzt sind. 300 lx ergeben
sich als das 0,6-fache der 500 lx, und 100 lx wurden ausgewählt, um eine untere Grenze auszuloten.
Beleuchtungsgeometrien
Es ergeben sich zwei Beleuchtungsgeometrien: die direkte Allgemeinbeleuchtung und das seitlich
einfallende Tageslicht. Da das natürliche Tageslicht ständigen Schwankungen unterliegt und somit
keine definierten konstanten Zustände zu erreichen sind, wurde entschieden, die Untersuchungen
mit einem künstlichen Tageslicht durchzuführen. Wie oben erwähnt, ist der Lichteinfallswinkel ein
maßgeblicher Einflussfaktor für die Kontrastminderung durch Reflexblendung. Um jedoch Einflüsse
wie die Tageslichtverteilung im Raum und das Bewusstsein der Anwesenheit von Tageslicht mit zu
berücksichtigen, wurde nicht einfach eine seitliche Anordnung der Leuchten realisiert, sondern ein
künstlicher Himmel hinter einem realen Fenster. Genaue Angaben zum Aufbau sind in Abschnitt
4.3 zu finden.
Da es sich in diesem Versuch um kein echtes Tageslicht handelt, die Leuchtdichteverteilung und damit der Lichteinfall dem Tageslicht nachempfunden sind, aber keine Verwechslung mit echtem Tageslicht aufkommen soll, werden im Folgenden die Begriffe künstliches Tageslicht sowie künstlicher
Himmel verwendet. Weiter ist zu bemerken, dass auch die ähnlichste Farbtemperatur sowie die
Lichtverteilung im Raum nahezu der des vollkommen bedeckten Himmels entsprechen.
4.2.2 Methodik
Aus den Parametern drei verschiedene Papiersorten (matt, seidenmatt, glänzend), zwei Beleuchtungsgeometrien und drei Beleuchtungsstärkeniveaus (100 lx, 300 lx, 500 lx) ergeben sich 18 verschiedene Szenarien. Eine Situation aus diesen 18 verschiedenen Kombinationen wird im Folgenden als ein Szenario bezeichnet. Die 18 Szenarien wurden jedem Proband in einer randomisierten
Reihenfolge dargeboten.
Es werden drei Methoden gewählt, um zu bestimmen, ob sich bei seitlich einfallendem Tageslicht
der Wartungswert der Beleuchtungsstärke auf das 0,6-fache reduzieren lässt. Um möglichst objektiv
zu testen, ob die Arbeitsleistung bei seitlichem Tageslicht aber geringerem Beleuchtungsniveau im
Vergleich zur direkten Allgemeinbeleuchtung gleich bleibt, wurde der d2-R Test ausgewählt. Für die
Überprüfung des subjektiven Empfindens wurden zwei Strategien verfolgt. Zum einen wurde die
subjektive Empfindung jedes Szenarios mit Hilfe eines Fragebogens abgefragt, des Weiteren sollten
die Probanden die untere Annehmlichkeitsschwelle der Helligkeit selbst einstellen.
d2-R Test
Um die Arbeitsleistung in Abhängigkeit von der Beleuchtung und vom Papier zu erfassen, wurde als
allgemeiner Leistungstest der d2-R Aufmerksamkeits- und Konzentrationstest ausgewählt. Er er86
schien erstmals 1962 unter dem Namen d2-Test und wurde stetig weiterentwickelt. Für diesen Versuch wurde die 10. Auflage von 2010 verwendet [Brickenkamp u.a., 2010].
Die Aufgabe des Probanden ist es, Zeichen zu unterscheiden die einander mehr oder weniger ähnlich sind. Ein Test beinhaltet 14 Testzeilen à 57 Zeichen, wobei sich drei Zeilen in Blöcken wiederholen. Pro Block gibt es 171 Zeichen mit jeweils 77 Zielobjekten („d“ mit zwei Strichen) und 94 Distraktoren („d“ mit mehr oder weniger als zwei Strichen, „p“ mit beliebig vielen Strichen). Abbildung
83 zeigt einen derartigen d2-R Testbogen. Die Bearbeitungszeit beträgt normalerweise 20 Sekunden pro Zeile. In der 9. Auflage des Tests [Brickenkamp, 2002] wird darauf hingewiesen, dass es
möglich ist, die Bearbeitungszeit auf 15 Sekunden je Zeile zu verkürzen und die Daten auf 20 Sekunden hochzurechnen, um eine Normierung vornehmen zu können. Damit wird die Gesamtbearbeitungszeit von 4 min 40 s auf 3 min 30 s verkürzt, was eine für die Probanden zumutbare
Gesamtversuchszeit ermöglicht.
Abbildung 83: Testbogen des d2-R Tests
Es werden sowohl die Schnelligkeit (Quantität) der Bearbeitung anhand der bearbeiteten Zeichen
(BZO), als auch die Genauigkeit (Qualität) anhand der Fehler erfasst. Daraus wird die Konzentrationsleistung (KL) bzw. die konzentrierte Aufmerksamkeit ermittelt. Ein großer Vorteil bei der Verwendung dieses Tests ist, dass durch die jahrelange Weiterentwicklung und Erprobung alle Testgütekriterien (Objektivität, Reliabilität, Validität, Skalierung, Normierung, Testökonomie, Nützlichkeit, Zumutbarkeit, Unverfälschbarkeit und Fairness) erfüllt werden. Des Weiteren ist der Test kriteriumsvalide, was bedeutet, dass das Verhalten innerhalb des Tests auf ein Kriterium außerhalb der Testsituation schließen lässt. In diesem Versuch ist das Verhalten innerhalb der Testsituation die sich erge87
bende Konzentrationsleistung. Das äußere Kriterium sind die Lichtverhältnisse in Kombination mit
den Papiersorten. Zu jedem der 18 Szenarien wird dem Proband der d2-R Test dargeboten. Da
nach [Brickenkamp u.a., 2010] bei Wiederholung des Tests eine anfängliche Leistungssteigerung
von 25 % zu erwarten ist, wurden zwei d2-R Tests als Vortest durchgeführt, um damit den Lerneffekt
vorweg zu nehmen.
Um 18 verschiedene d2-R Testbögen zu generieren, wurden die drei Zeilen in einem Block vertauscht, und der Block mit den vertauschten Zeilen wiederholt. Ebenso wurden drei vertikale Blöcke
von je 19 Zeichen vertauscht. Die 18 verschiedenen d2-R Bögen wurden in jedem Versuch randomisiert den drei verschieden Papiersorten zugewiesen, um durch die Vertauschungen entstandene
mögliche systematische Fehler zu vermeiden.
Fragebogen zur subjektiven Bewertung der Helligkeit
Zur Erfassung der subjektiven Empfindung der Probanden zu den einzelnen Szenarien wurde ein
Fragebogen zur subjektiven Bewertung der Beleuchtungssituation erstellt (Abbildung 84). Er besteht
aus vier Frageblöcken zur Helligkeit bezüglich der Lese- und Schreibtätigkeit, zur Helligkeit im
Raum, zur Sehaufgabe und zur Reflexion des Papiers, die jeweils durch Ankreuzen eines Kästchens
auf einer siebenstufigen Skala beantwortet werden sollten. Dieser Fragebogen wurde von den Probanden nach jedem d2-R Test ausgefüllt. Die Reihenfolge der Fragen wurde auf jedem der 18 Fragebogen im Test randomisiert.
Helligkeit einstellen
Die Erfahrung zeigt, dass die Nutzer tageslichtversorgter Räume eine manuell geschaltete künstliche
Beleuchtungsanlage erst bei sehr viel niedrigeren Beleuchtungsstärken auf der Sehaufgabe einschalten, als es z. B. in DIN EN 12464-1 gefordert wird. So zeigen Untersuchungen von [Hunt,
1980] in verschiedenen Räumen Minimalwerte von etwa 75 lx in der Arbeitsebene, bei denen die
Beleuchtung mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % eingeschaltet wurde.
Um in diesem Laborversuch eine solche untere Schwelle zu finden, wurden die Probanden in jedem
der 18 Szenarien angewiesen, das Licht soweit herunter zu dimmen, dass sie gerade noch angenehm über längere Zeit unter dieser Beleuchtung auf dem Tisch arbeiten könnten. Dies geschah mit
zwei Tastern, mit der Aufschrift „heller“ und „dunkler“. So war es auch ungeübten Probanden möglich, diese Aufgabe leicht zu bewältigen. Gleichzeitig war es für den Probanden nicht möglich, den
aktuellen Stand der Helligkeitseinstellung auf einer Skala o. ä. abzulesen. Es war nicht erlaubt, direkt aus dem Szenario heraus heller zu dimmen. Falls aber zu dunkel gedimmt wurde, war es erlaubt, wieder heller zu dimmen. Wurde die Aufgabenstellung nicht richtig verstanden, gab der Versuchsleiter den Hinweis, das Licht soweit herunter zu dimmen, bis der Proband eine andere Lichtquelle dazu schalten würde. Die von den Probanden eingestellte Helligkeit wurde mit einem Luxmeter an einem Referenzpunkt gemessen, der Messwert wurde dem Probanden während des Versuchs
nicht mitgeteilt.
88
Abbildung 84: Fragebogen zur subjektiven Bewertung der Helligkeit
89
4.2.3 Operationalisierung
Aus diesem Versuchsdesign ergeben sich die folgenden in Tabelle 28 eingetragenen Variablen.
Tabelle 28: Variablen des Probandenversuchs
Unabhängige Variable
Abhängige Variable
Methode
Beleuchtungsstärke:
500 lx, 300 lx, 100 lx
Konzentrationsleistung,
Qualität und Quantität der Arbeit
d2-R-Test
Lichteinfallsrichtung:
Direktbeleuchtung,
seitlicher Lichteinfall
Helligkeitswahrnehmung im Raum
und für die Sehaufgabe, Wahrnehmung der Reflexblendung
Fragebogen
Reflexionseigenschaften des Papiers:
matt, halbglänzend, glänzend
Subjektive untere
Annehmlichkeitsgrenze
Helligkeit
einstellen
Alle weiteren Einflussgrößen wie z. B. Umgebungstemperatur und Sitzposition wurde bestmöglich
konstant gehalten. Die Festlegung der Altersklasse der Probanden zwischen 20-39 Jahren orientierte sich an den Normierungstabellen des d2-R Tests, wo für diese Altergruppe eine gemeinsame Tabelle gilt. Aufgrund des ungleichen Körperschattens bei seitlichem Lichteinfall mussten Linkshänder
ausgeschlossen werden. Es wurde bewusst für die Innenraumbeleuchtung eine ähnlichste Farbtemperatur Tcp von 6500 K gewählt, um beim Wechsel zwischen künstlichem Himmel und Innenraumbeleuchtung mögliche Einflüsse aufgrund unterschiedlicher Lichtfarben auszuschließen.
4.3 Aufbau des Versuchsraums mit künstlichem Himmel
Der Mock-up-Büroraum misst 4,5 m Breite, 4,6 m Tiefe und 3,2 m Höhe und stellt somit ein Einzelbüro mit ca. 20 m² dar (Abbildung 85). Das Fenster für den seitlichen Lichteinfall befindet sind in
der Mitte der kürzeren Seite und ist 3 m breit und 1,9 m hoch. Es ist zweiflügelig, die reine Glasfläche ohne Versprossungsanteil beträgt 4,125 m2 (2 x 1,25 m x 1,65 m). Der in Abschnitt 4.1 der
ASR A3.4 „Ausreichendes Tageslicht“ geforderte Wert für das Verhältnis von lichtdurchlässigen
Fensterflächen zur Raumgrundfläche von mindestens 1:10 wird mit diesem Aufbau zweifach übererfüllt. Damit wird eine gute bis sehr gute Tageslichtversorgung ermöglicht. Zusätzlich sind lichtundurchlässige Rollos an der Innenseite angebracht, um die Fensterfläche variabel gestalten zu können. Die Unterkante der durchsichtigen Verglasung des Fensters befindet sich auf 0,92 m Höhe.
In die Trennwand zwischen dem Büroraum und dem Bereich des künstlichen Himmels wird ein reales Fenster mit Einfachverglasung installiert. Hinter dem Fenster befindet sich ein weißer Raum mit
abgerundeten Ecken, wodurch der Raum nicht mehr als solcher wahrgenommen wird. Um den Eindruck eines echten Ausblicks aus dem Fenster zu verstärken wurde ein realistisches Foto-Panorama
angebracht (Abbildung 86).
Dieser künstliche Himmel wird durch 40 Stück T5-Leuchtstofflampen vom Typ 865 mit einer ähnlichsten Farbtemperatur Tcp von 6500 K und einem Farbwiedergabeindex Ra von 80 ausgeleuchtet
(Abbildung 87). Der Gesamtlichtstrom beträgt 250 klm und die elektrische Gesamtleistung 3,5 kW.
Durch die DALI-steuerbaren Vorschaltgeräte kann die Leuchtdichte des „Himmels“ so geregelt werden, dass Beleuchtungsstärken bis zu 1500 lx auf der Arbeitsfläche im Innenraum entstehen. Durch
90
die Anbringung der Leuchten oberhalb des Fensters mit einem zusätzlichen Schatter, der einen direkten Lichteinfall in den Raum verhindert, wird eine Leuchtdichteverteilung erreicht, die der des
vollkommen bedeckten Himmels ähnlich ist. Dazu zeigt Abbildung 88 die gemessene Leuchtdichteverteilung des künstlichen Himmels.
Abbildung 85: Aufbau des Versuchraums mit künstlichem Fenster: Grundriss
91
Abbildung 86: künstlicher Himmel und Realisierung der Umgebung mit Foto-Panorama
Abbildung 87: künstlicher Himmel mit 40 Leuchtstofflampen vom Typ T5 865 80 W
92
Abbildung 88: Gemessene Leuchtdichteverteilung des künstlichen Himmels bei Maximaleinstellung der
Leuchtstofflampenleistung
Für die direkte Beleuchtung im Innenraum wurden sechs abgehängte Spiegelrasterleuchten angebracht; bestückt mit jeweils einer DALI-dimmbaren T8/58 W Leuchtstofflampe. Um den möglichen
Einfluss durch unterschiedliche ähnlichste Farbtemperaturen auszuschließen, wurden Ra und Tcp
gleich der Beleuchtung im künstlichen Himmel ausgesucht. Abbildung 89 und Abbildung 90 zeigen
die Ansicht des Testraums mit der Anordnung des Fensters, der künstlichen Beleuchtung und dem
Foto-Panorama mit den sich damit ergebenden zwei Beleuchtungsgeometrien, die direkte Allgemeinbeleuchtung und der seitliche Lichteinfall des künstlichen Himmels.
Der Schreibtischarbeitsplatz ist mittig in 0,3 m Abstand vor dem Fenster situiert. Diese Aufstellung
mit einem Abstand, der kleiner als das Ein- bis Dreifache der Fensterhöhe ausfällt, ermöglicht nach
[SLG u.a., 1975] eine ausreichende Versorgung mit Tageslicht. Der Arbeitstisch misst 0,8 m mal
1,6 m und ist auf eine Höhe von 0,75 m eingestellt. Damit beträgt die Nutzebene über dem Boden
ebenfalls 0,75 m. Die Sitzposition ist 1,2 m vom Fenster entfernt, direkt unter einer Leuchte mit
Blickrichtung parallel zum Fenster in Richtung Tür angeordnet. Der Bereich der Sehaufgabe ist auf
ein 0,3 m mal 0,4 m großes Feld eingeschränkt. Dieses ist durch einen Rahmen aus weißem Klebeband markiert, in welchem der Proband das A4 Blatt auf dem sich die Sehaufgabe befindet bewegen darf. Zum Konstanthalten des Blickwinkels der Probanden während des Versuchs wird eine höhen- und winkelverstellbare Kinnstütze montiert. Der Blickwinkel befindet sich bei allen Probanden
im Bereich von 0° bis 45° was einem üblichen Blickwinkel bei Schreib- und Leseaufgaben entspricht
[LiTG, 1991].
93
Abbildung 89: Realisierter Versuchsraum: Situation mit seitlichem Lichteinfall durch „Tageslicht“
Abbildung 90: Realisierter Versuchsraum: Situation mit direkter Beleuchtung
94
4.4 Messtechnische Erfassung
Zur Beschreibung der Beleuchtungsbedingungen im Versuchsraum wurde dieser in Hinblick auf verschiedene Parameter lichttechnisch untersucht.
4.4.1 Reflexionsgrade
Die durchschnittlichen Reflexionsgrade bei diffuser Beleuchtung der Wand liegen bei 0,8, an der
Decke bei 0,9 und am Boden bei 0,2. Die Werte liegen somit innerhalb der in DIN EN 12464-1
Abs. 4.2.2 vorgegebenen Grenzen für die Reflexionsgrade von Raumoberflächen. Die Reflexionsgrade wurden mit einem ρdif-Messgerät ermittelt.
4.4.2 Tageslichtquotient
Aus den geometrischen Abmessungen des Raumes und des Fensters lässt sich unter Berücksichtigung der Reflexionseigenschaften der Raumoberflächen die Verteilung des Tageslichtquotienten auf
der 0,85 m Ebene mit Hilfe einer Lichtsimulationssoftware berechnen (Abbildung 91). In den beiden
Bezugspunkten nach DIN 5034-1 in halber Raumtiefe mit einem Meter Abstand zu den Seitenwänden auf einer Höhe von 0,85 m stellt sich ein Tageslichtquotient von 3 % ein, in der Raummitte
beträgt er 3,7 %. In der Mitte des definierten Arbeitsplatzes beträgt der Tageslichtquotient auf der
0,75 m Tischebene circa 10 %.
Abbildung 91: Simulierte Verteilung des Tageslichtquotienten im Versuchsraum; Nutzebene 0,85 m
Diese Werte des Tageslichtquotienten bestätigen die bei der Planung der Fenstergröße anvisierte
sehr gute Versorgung mit „Tageslicht“. Die in DIN 5034-1 geforderten Werte für in den Abmessungen Wohnräumen ähnliche Büroräume von Dmittel ≥ 0,9 sowie Dmin ≥ 0,75 werden damit um das
95
Drei- bis Vierfache übererfüllt. Die in der Arbeitsstättenrichtlinie ASR A3.4 formulierten Anforderungen für ausreichendes Tageslicht am Arbeitsplatz von DAP > 2 % werden ebenfalls vielfach übererfüllt.
Zum Vergleich der Simulationswerte mit dem realen Versuchsraum zeigt Abbildung 92 die mit einem Klasse A Beleuchtungsstärkemessgerät gemessene Beleuchtungsstärkeverteilung bei Beleuchtung durch den künstlichen Himmel normiert auf den Maximalwert. Es zeigt sich eine für die geplante Untersuchung hinreichend gute Übereinstimmung mit der tatsächlichen Beleuchtungsstärkeverteilung bei vollkommen bedecktem Himmel.
R1
R2
R3
R5
Fenster
R4
0,8-1,0
0,6-0,8
0,4-0,6
0,2-0,4
0,0-0,2
R6
1,0
0,4
0,8
0,2
0,6
0,0
R7
8
7
6
5
4
3
2
1
Abbildung 92: Verteilung der relativen Beleuchtungsstärke auf einer Nutzebene von 0,75 m im
Versuchsraum bei „Tageslichtbeleuchtung“
4.4.3 Gleichmäßigkeit
Die Gleichmäßigkeit U0 = Emin/Em der Beleuchtungsstärke für eine künstliche Beleuchtungsanlage
nach DIN EN 12464-1 muss im Bereich der Sehaufgabe mindestens bei 0,6 liegen, im unmittelbaren Umgebungsbereich muss sie mindestens 0,4 und im Hintergrundbereich mindestens 0,1 betragen. Die gemessene relative Beleuchtungsstärkeverteilung bei direkter Beleuchtung ist in Abbildung
93 gezeigt. Der nachfolgenden Tabelle 29 ist zu entnehmen, dass die geforderten Gleichmäßigkeiten bei direkter Beleuchtung im Versuchsraum erfüllt werden.
96
R1
R2
R3
Fenster
R4
0,8-1,0
R5
0,6-0,8
0,4-0,6
0,2-0,4
0,0-0,2
R6
R7
8
7
6
5
4
3
2
1
Abbildung 93: Verteilung der relativen Beleuchtungsstärke auf einer Nutzebene von 0,75 m im
Versuchsraum bei Direktbeleuchtung
Tabelle 29: Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke
U0
im Bereich der
Sehaufgabe
unmittelbarer
Umgebungsbereich
Hintergrundbereich
künstliches Tageslicht
0,83
0,59
0,19
direkte Beleuchtung
0,74
0,56
0,10
4.4.4 Leuchtdichteverteilung
Zur messtechnischen Bewertung der „Helligkeit“ eines Raumes bietet sich die Messung der ortsaufgelösten Leuchtdichteverteilung an. Dies wurde mit einer CCD-Leuchtdichtekamera unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen in der Kalibrierung berücksichtigen Fischaugenobjektivs durchgeführt.
Abbildung 94 zeigt das Messbild bei direkter Beleuchtung mit 500 lx im Mittelpunkt des Arbeitsbereichs mit den in der Auswertung genutzten Bewertungsfeldern. In Abbildung 95 ist das entsprechende Messbild bei seitlicher Beleuchtung durch den künstlichen Himmel mit 500 lx im Mittelpunkt
des Arbeitsbereichs zu sehen. Die Aufnahmen wurden jeweils aus der Perspektive des Probanden
aufgenommen und gleich skaliert.
97
Abbildung 94: Leuchtdichteverteilung im Versuchsraum bei Direktbeleuchtung 500 lx;
12 Bewertungsfelder
Abbildung 95: Leuchtdichteverteilung im Versuchsraum bei „Tageslichtbeleuchtung“ 500 lx
98
Zum Vergleich der unterschiedlichen Beleuchtungsszenarien sind in Tabelle 30 die mittleren Leuchtdichten ausgewählter in Abbildung 94 eingezeichneter Bewertungsfelder eingetragen.
Tabelle 30: Mittlere Leuchtdichten ausgewählter Oberflächen mit Nummer des Bewertungsfeldes
E
Lichteinfallsrichtung
in lx
direkt
künstlicher
Himmel
L in cd/m²
auf dem Tisch
L in cd/m²
im Raum
43
Wand
oben
[9]
33
Wandmitte
[10]
43
Wand
unten
[11]
55
Rückwand
[12]
30
28
21
28
35
19
Links
[5]
Mitte
[6]
Rechts
[7]
Decke
[8]
500
121
138
165
300
79
89
107
100
27
30
36
9
7
10
12
7
500
167
105
77
39
59
72
71
56
300
102
64
47
24
36
44
44
35
100
35
22
16
8
12
15
15
12
Auf dem Tisch ist bei direkter Beleuchtung ein Abfall der Leuchtdichte zur Fensterwand von etwa
20 % zu erkennen. Beim seitlichen Lichteinfall beträgt der Leuchtdichteabfall in die Raumtiefe auf
der Tischoberfläche circa 50 %. Hier sorgt also die direkte Beleuchtung für eine gleichmäßigere
Ausleuchtung des Arbeitstisches.
Auf den Raumbegrenzungsflächen zeigt sich ein gegenläufiges Verhalten: Bei seitlichem Lichteinfall
schwanken die Leuchtdichten auf der dem Probanden gegenüberliegenden Wand um etwa 10 %,
bei direkter Beleuchtung sind die Unterscheide mit ungefähr 30 % erheblich höher.
Wichtig sind aber auch die absoluten Leuchtdichtewerte bei gleicher Beleuchtungsstärke auf dem
Arbeitsplatz. Es ergeben sich doppelt so hohe Leuchtdichten auf dem oberen Bereich der gegenüberliegenden Wand sowie der Rückwand bei seitlichem Lichteinfall durch den künstlichen Himmel
gegenüber der direkten Beleuchtung. Es ist also zu erwarten, dass der Raum bei „Tageslichtbeleuchtung“ deutlich heller empfunden wird als bei direkter Beleuchtung.
4.4.5 Glanzeigenschaften des Papiers
Alle drei ausgewählten Papiere sind weiß und lichtundurchlässig. Die Papiertypen wurden gemäß
[LiTG, 1991] klassifiziert und sind in ihrem Reflektometerwert etwa gleichabständig. Die Herstellerbeschreibungen sind Tabelle 31 zu entnehmen.
Tabelle 31: Papiertypen
Papiertyp /
Klassifizierung
Hersteller
Beschreibung
Bezeichnung
Grammatur
in g/m²
Format
matt
mondi
Karton
Maestro Extra
160
A4
seidenmatt /
semi
mondi
Bilderdruckpapier
Color Copy
coated glossy
170
A4
glänzend
mondi
Fotopapier
Chromolux
200
A4
99
Gemäß [DIN 67530] wurde mit einem Reflektometer der Reflektometerwert der drei Papiersorten
messtechnisch bestimmt. Dazu wurde unter drei Messgeometrien von 20°, 60°, 85° und an drei
charakteristischen Stellen des Papiers der Reflektometerwert ermittelt. Allgemein wird der bei einem
Einstrahlungswinkel von 20° ermittelte Wert zur Bewertung hochglänzender Materialien verwendet,
der Einstrahlungswinkel von 60° wird für mittel-glänzende und der 85°-Winkel für matte Prüfkörper
verwendet. In [LiTG, 1991] wird vorgeschlagen, für die Bewertung von Schreibtisch-Sehaufgaben
den Messwinkel von 20° zu wählen, da dieser im Bereich des häufigsten Blickwinkels von 25° liegt.
Da die Messungen unter verschieden Messgeometrien pauschal nicht vergleichbar sind und die drei
Papiertypen von hochglänzend bis matt alle Geometrien abdecken, wurde unter jeder Geometrie
eine Einzelwinkelmessung durchgeführt.
Problematisch ist die Veränderung der Glanzeigenschaften der Papiere durch die schwarze Bedruckung. Dies wurde zu minimieren versucht, indem die matte und seidenmatte Papierprobe mit einem Laserdrucker und die glänzende Probe mittels eines Tintenstrahldruckers bedruckt wurden. Die
aus jeweils drei Messungen gemittelten Reflektometerwerte sind Tabelle 32 zu entnehmen.
Tabelle 32: Gemessene Reflektometerwerte der Papiertypen
Papiertyp
matt
seidenmatt /
semi
glänzend
Messgeometrie
weißes Papier
Bedruckung
20°
1,4
0,3
60°
4,5
2,4
85°
7,6
19,5
20°
7,3
0,4
60°
35,9
3,1
85°
79,6
51,8
20°
55,3
34,8
60°
77,4
68,9
85°
96,9
94,4
4.4.6 Messung des Kontrastwiedergabefaktors
Der Referenzkontrast C0 für die drei Papierproben wurde, wie es für den CRF definiert ist, unter Beleuchtung einer vollkommen diffus strahlenden Halbkugel konstanter Leuchtdichte mit ca. 3,5 m
Durchmesser ermittelt. Der Kontrast ist dabei unabhängig vom Beobachtungswinkel. Jede Papierprobe wurde mit einem schwarzen Quadrat mit einer Kantenlänge von 11 cm bedruckt, was eine
verlässliche Messung der Leuchtdichten im bedruckten und unbedruckten Teil ermöglichte. Aus den
gemessenen Leuchtdichten ließen sich die in Tabelle 33 eingetragenen Leuchtdichtekontraste bei
diffuser Beleuchtung berechnen.
Tabelle 33: Leuchtdichtekontraste bei diffuser Beleuchtung
Papiertyp
Leuchtdichtekontrast C0
matt
0,93
semi
0,92
glänzend
0,88
100
Um die Verteilung des Kontrastes im Bereich der Sehaufgabe bei real gegebener Beleuchtungssituation zu messen, wurde nach Vorgaben der LiTG Publikation Nr. 13 [LiTG, 1991] ein 112 PunkteRaster im A3-Format erstellt und in schwarz auf die drei Papiersorten gedruckt. Mit einer CCDLeuchtdichtekamera wurde für alle 18 Szenarien die Leuchtdichteverteilung des Punkte-Rasters aufgenommen (Abbildung 96).
Abbildung 96: Verteilung der Leuchtdichte im Bereich der Sehaufgabe auf glänzendem Papier,
links: „Tageslichtbeleuchtung“, rechts: direkte Beleuchtung; Em = 500 lx
Aus den Leuchtdichtemesswerten wurde für jeden Punkt der Kontrast C berechnet und unter Bezug
auf den Leuchtdichtekontrast bei diffuser Beleuchtung C0 der CRF ermittelt. Es zeigte sich erwartungsgemäß, dass der Kontrast C, und damit auch der CRF, unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist. Daher ergeben sich für drei Papiersorten mit zwei Lichteinfallsrichtungen sechs verschiedene
CRF-Verteilungen. Abbildung 97 bis Abbildung 102 zeigen die Verteilung des CRF für mattes,
seidenmattes und glänzendes Papier bei direkter Beleuchtung und seitlichem Lichteinfall.
101
Abbildung 97: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
direkte Beleuchtung, mattes Papier
Abbildung 98: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
„Tageslichtbeleuchtung“, mattes Papier
102
Abbildung 99: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
direkte Beleuchtung, semi Papier
Abbildung 100: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
„Tageslichtbeleuchtung“, semi Papier
103
Abbildung 101: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
direkte Beleuchtung, glänzendes Papier
Abbildung 102: Verteilung des Kontrastwiedergabefaktors CRF im Bereich der Sehaufgabe
„Tageslichtbeleuchtung“, glänzendes Papier
104
Es ist zu erkennen, dass der CRF beim seitlichen Lichteinfall durch das „Tageslicht“ unabhängig von
den Reflexionseigenschaften des Papiers sehr hohe und gleichmäßig verteilte Werte von 0,93 bis
1,03 annimmt. Die geringen vor allem beim matten Papier noch auftretenden Unterschiede lassen
sich auf die verschiedenen Bedruckungsarten der Papiere zurück führen. Des Weiteren zeigt sich,
dass der CRF bei direkter Beleuchtung im zentralen Bereich der Sehaufgabe deutlich niedriger
ausfällt. Dies ist auf die Kontrastminderung durch Reflexion (vgl. Abschnitt 4.1) der Leuchten
zurückzuführen, welche direkt über dem Arbeitstisch angebracht waren. Bei der matten Papierprobe
fällt dieser Effekt aufgrund der stark streuenden Reflexion am geringsten aus. Beim glänzenden
Papier tritt dieser Effekt am stärksten auf, wodurch im Zentralfeld die niedrigsten CRF Werte von
0,51 bis 0,75 erreicht werden. Weiter ist zu erkennen, dass im rechten Bereich des Bewertungsfeldes bei direkter Beleuchtung auf dem glänzenden Papier ebenfalls ein leichter Abfall der CRF
Werte zu beobachten ist. Dies ist auf die Reflexion der mittleren Leuchtenreihe zurückzuführen. In
den Messpunkten außerhalb dieser Bereiche, liegen die Werte des CRF bei direkter Beleuchtung
und „Tageslichtbeleuchtung“ weitestgehend auf gleichem Niveau. Die geringere Kontrastwiedergabe bei direkter Beleuchtung lässt sich daher auf die Anordnung der Leuchten in Bezug auf den
Arbeitsplatz begründen.
Diese gemessenen Werte des CRF lassen sich nicht direkt mit Petrys Berechnungen vergleichen, da
in seinen Untersuchungen andere Proben für die Sehaufgaben gewählt wurden [Petry, 1984]. Am
nächsten an die für den Probandenversuch ausgewählten Papiersorten mit Bedruckung kommen
Petrys Proben Nr. 3 „Fotokopie von Schreibmaschinenschrift auf mattem Papier“ und Nr. 4 „Bleistift
auf glänzendem Papier“. Die für den vollkommen bedeckten Himmel und ohne Verbauung berechnete sehr gleichmäßige Verteilung des CRF stimmt mit der gemessenen Verteilung grundsätzlich
überein. Ebenfalls ergibt sich bei direkter künstlicher Beleuchtung eine starke Abnahme des CRF im
Bereich unterhalb der Leuchtenreihen. Damit herrschen für den Probandentest relativ gleiche Bedingungen wie bei Petrys Berechnungen.
CRF als abhängige Variable
Zur statistischen Analyse der Abhängigkeiten des CRF von den unabhängigen Variablen müssen zunächst für jede Szene Mittelwerte des CRF gebildet werden. Damit vor allem bei direkter Beleuchtung der Einfluss der niedrigen Werte im Bereich der Sehaufgabe nicht zu stark durch die höheren
Werte in der unmittelbaren Umgebung ausgeglichen wird, findet eine Begrenzung des Bewertungsbereichs für die Mittelwertbildung auf die Größe eines Hochkant A5-Formats statt.
Anhand des in Abbildung 103 gezeigten Boxplots ist nochmals zu erkennen, dass der CRF unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist. Ebenfalls ist eine große Streuung der Werte bei direkter Beleuchtung zu sehen. Die CRF-Werte liegen für direkte Beleuchtung für die jeweilige Papiersorte immer unter denen bei seitlichem Lichteinfall. Besonders bei glänzendem Papier und direkter Beleuchtung werden die sehr schlechten Werte sichtbar, welche im Boxplot als Ausreißer dargestellt sind.
Wie auch in Abbildung 101 zu sehen ist, fallen die Werte des CRF bei direkter Beleuchtung auf
glänzendem Papier nur in den Bereichen, in denen die Leuchte direkt reflektiert wird, sehr niedrig
aus. In den anderen Bereichen werden ähnlich hohe Werte wie bei seitlichem Lichteinfall erreicht.
Damit ist die breite Streuung in den Boxplots bei direkter Beleuchtung zu erklären.
105
1,0
0,9
0,8
0,7
seitlich
direkt
matt
seitlich
direkt
semi
100lx
300lx
500lx
100lx
300lx
500lx
100lx
300lx
500lx
100lx
300lx
500lx
100lx
300lx
500lx
100lx
300lx
500lx
0,6
CRF 0,5
direkt
seitlich
glänzend
Abbildung 103: Boxplot der CRF-Werte im A5-Bewertungsbereich für 18 Szenarien
Für die statistischen Auswertungen bezüglich des CRFs werden die in Tabelle 34 eingetragenen Mittelwerte verwendet. Durchschnittlich fallen die Mittelwerte des CRFs bei seitlichem Lichteinfall für alle Papiertypen um 0,12 besser aus als bei direkter Beleuchtung. Zur Klassifizierung dient die in
Tabelle 35 eingetragene Stufeneinteilung nach [LiTG, 1991]. Dabei wird zusätzlich zum Mittelwert
auch der Minimalwert des CRF berücksichtigt. Ein solcher wird auch von [Boyce u.a., 1981] mit einem Wert von 0,7 gefordert. Damit wird deutlich, dass für die ausgewählten Sehaufgaben nur der
seitliche Lichteinfall hohen Anforderungen an die Kontrastwiedergabe gerecht wird. Die direkte Beleuchtung ist für semi- und glänzendes Papier nur bei geringen Kontrastwiedergabeanforderungen
geeignet.
Tabelle 34: CRF-Werte im A5-Bewertungsfeld
Lichteinfallsrichtung
direkt
seitlich
Papiertyp
CRF-Mittelwert
CRF-Minimalwert
matt
0,89
0,83
semi
0,82
0,68
glänzend
0,90
0,52
matt
0,97
0,93
semi
1,01
0,95
glänzend
1,00
0,98
106
Tabelle 35: Stufeneinteilung der Kontrastwiedergabe nach [LiTG, 1991]
Anforderungen an die
Kontrastwiedergabe
Bereich der CRF-Mittelwerte
CRF-Minimalwerte
hoch
1,0 ≤ CRF
≥ 0,95
mittel
0,85 ≤ CRF < 1,0
≥ 0,7
gering
0,7 ≤ CRF < 0,85
≥ 0,5
Die in Tabelle 36 gezeigten Ergebnisse einer mehrfaktoriellen Varianzanalyse zeigen, dass der CRF
signifikant von der Lichteinfallsrichtung und vom Papiertyp abhängt. Dabei gibt der p-Wert die
Fehlerwahrscheinlichkeit der ersten Art an. Ist dieser p-Wert kleiner als das gewählte Signifikanzniveau von α = 0,05, so ist das Ergebnis signifikant.
Tabelle 36: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. des CRF-Werts
Lichteinfallsrichtung
Beleuchtungsstärke
Papiertyp
F
p
p≤0.05
2,631032
<0,001
*
1,74100
0,196
1,1710
31
1,30100
Lichteinfallsrichtung:Beleuchtungsstärke
Lichteinfallsrichtung:Papiertyp
<0,001
0
0,405
1,21100
0,306
0,91510
Lichteinfallsrichtung:Beleuchtungsstärke:Papiertyp
*
0,263
32
5,3310
Beleuchtungsstärke:Papiertyp
<0,001
*
4.5 Versuchsablauf
Um eine ausreichende Sehschärfe des Probanden sicherzustellen, wird der Visus bei 30 cm mittels
eines Sehtests mit Hilfe eines Binoptometers ermittelt. Dabei ist zu bemerken, dass auch Personen
mit Sehschwäche zum Versuch zugelassen werden, sobald sie den Sehtest mit ihrer Sehhilfe bestehen.
Nachdem der Proband mit Hilfe der Kinnstütze und dem höhenverstellbaren Bürostuhl eine angenehme Sitzposition gefunden hat, wird ihm der Versuchsablauf erklärt. Zunächst wird das HelligkeitEinstellen mit entsprechender Aufgabenstellung (vgl. Abschnitt 4.2.2) geübt. Mithilfe der Kurzanleitung und den standardisierten Instruktionen wird der d2-R Test erklärt. Es wird beim gesamten Versuch darauf geachtet, den Begriff „Durchstreichtest“ zu verwenden. Daraufhin werden die zwei Vortests durchgeführt, um den Probanden an den Ablauf zu gewöhnen und die Lerneffekte beim d2-R
Test zu minimieren. Bei den zwei Vortests wird an einem zweiten Referenzpunkt der Einfluss des individuellen Körperschattens ermittelt. Um zu gewährleisten, dass der Körperschatten nicht durch unterschiedliche Farbe der Kleidung beeinflusst wird, trägt jeder Proband einen weißen Kittel. Nach
den zwei Vortests bearbeitet der Proband einen Fragebogen zum aktuellen Wohlbefinden. Dieser
dient zur Überprüfung eines gleichbleibenden Wohlbefindens des Probanden über den gesamten
Zeitraum des Versuchsdurchlaufs.
107
Danach beginnt der Hauptversuch. Vom Versuchsleiter wird eine vorprogrammierte Lichtszene eingestellt. Dann führt der Proband den d2-R Test durch, gefolgt vom Ausfüllen des Fragebogens zur
subjektiven Bewertung der Beleuchtungssituation. Anschließend darf die Helligkeit mit der oben genannten Aufgabenstellung vom Proband selbst herunter gedimmt werden. Dieser Ablauf wird 18
mal wiederholt. Nach eineinhalb Stunden, bzw. neun Durchläufen wird eine Erholungspause von
1,5 Stunden eingelegt. Am Beginn und am Ende sowie vor und nach der Pause wird ein Fragebogen zum aktuellen Wohlbefinden beantwortet. Nach der Pause werden die verbliebenen neun Szenarien durchlaufen. Am Ende darf der Proband optional auf einem abschließenden Blatt Anregungen und Anmerkung zum Versuch geben. Um den Einfluss des Versuchsleiters möglichst gering zu
halten, wurde darauf geachtet, die Anweisungen identisch und immer gleich zu halten.
4.6 Auswertung
4.6.1 Beschreibung der Probanden
Insgesamt wurden 34 Probandenversuche durchgeführt. Die Alters- und Geschlechtsverteilung zeigt
Abbildung 104 als Histogramm. Aufgrund der geometrischen Bedingungen des seitlichen Lichteinfalls durch den künstlichen Himmel und der Aufstellung des Arbeitsplatzes im Versuchsraum wurden
als Probanden nur Rechtshänder eingeschlossen. Um sicherzustellen, dass die Aufgabenstellungen
und die verschiedenen Fragebögen richtig verstanden werden, wurde in der Vorbereitung ein ausreichendes Instruktionsverständnis überprüft. Knapp die Hälfte der Probanden benötigte eine Sehhilfe, um einen Visus von 1,0 zu erreichen. Ein Viertel der Probanden gaben ihre lichttechnischen
Kenntnisse als professionell an, der Rest teilt sich jeweils zur Hälfte in Laien und lichttechnisch interessierte Personen auf.
9
8
Anzahl der Probanden
7
6
5
4
3
2
1
0
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
Alter in Jahren
gesamt
männlich
weiblich
Abbildung 104: Altersstruktur der Probanden
108
35
36
37
38
39
sehr wach
Jeweils zu Beginn (Zeitpunkt 1 und 3) und Ende (Zeitpunkt 2 und 4) der zwei Versuchsteile füllten
die Probanden einen Fragebogen zum allgemeinen Wohlbefinden aus. In Abbildung 105 ist der
zeitliche Verlauf der gemittelten Selbsteinschätzung bezüglich der Wachheit gezeigt. Es zeigte sich,
dass die Probanden ihren Wachheitszustand vor der Pause selbst um 0,6 Skalenpunkte niedriger
einschätzten als zu Beginn des Versuchs. Nach der circa 1,5-stündigen Pause wurden wieder die
Werte wie beim Versuchsbeginn erreicht. Ein sehr ähnlicher Verlauf ergab sich bei der Selbsteinschätzung der Konzentration, der in Abbildung 106 gezeigt ist. Auch hier zeigte sich während der
Pause zwischen den Zeitpunkten 2 und 3 ein deutlicher Erholungseffekt.
7
6
5
4
sehr müde
3
2
1
0
1
2
3
4
Zeitpunkt
sehr konzentriert
Abbildung 105: Selbsteinschätzung der Probanden: Wie fühlen Sie sich momentan? (Wachheit);
Fehlerbalken +/- 1 SD
7
6
5
sehr unkonzentriert
4
3
2
1
0
1
2
3
4
Zeitpunkt
Abbildung 106: Selbsteinschätzung der Probanden: Wie fühlen Sie sich momentan? (Konzentration);
Fehlerbalken +/- 1 SD
109
Weitere Abfragen im Fragebogen zum aktuellen Wohlbefinden ergaben ein überdurchschnittliches
Interesse von 4,8 (1 sehr gelangweilt – 7 sehr interessiert). Die Probanden waren mit einem Mittelwert von 5,8 eher entspannt (1 sehr angespannt – 7 sehr entspannt) und fühlten sich mit einem
mittleren Wert von 5,8 relativ wohl (1 sehr unwohl – 7 sehr wohl). Die Sitzposition mit der Kinnstütze zum Einhalten eines gleichbleibenden Beobachtungswinkels auf die Sehaufgabe wurde mit 3,9
durchschnittlich (1 sehr angenehm – 7 sehr unangenehm) bewertet. Der Büroraum wirkte im Allgemeinen mit einer Bewertung von 2,9 eher angenehm (1 sehr angenehm – 7 sehr unangenehm).
Dies bedeutet, dass die Probanden im Mittel der Untersuchung positiv eingestellt waren und nicht
mit negativen Einflüssen durch den Aufenthalt im Versuchsraum selbst zu rechnen ist.
4.6.2 d2-R Test
Bei der Auswertung eines d2-R Konzentrations- und Aufmerksamkeitstests ergeben sich die in
Tabelle 37 erläuterten Kennwerte, die unterschiedliche Aussagen treffen lassen. Im Wesentlichen
misst der d2-R Test die individuelle Konzentrationsleistung einer Person. Weiter können Aussagen
über die Qualität (Genauigkeit) und Quantität (Schnelligkeit) der Testbearbeitung gemacht werden.
Da Lerneffekte bis über ein halbes Jahr anhalten können, wurde jede Person nach der Instruktion
befragt, ob sie diesen Test schon einmal bearbeitet habe. Nur ein Proband hatte den d2-Test schon
einmal vor ca. zwei Jahren durchgeführt. Damit ist sichergestellt, dass nicht mit Ausreißern aufgrund
vorheriger individueller Lerneffekte zu rechnen ist.
Tabelle 37: Kennwerte des d2-R Tests nach [Brickenkamp u.a., 2010]
Kennwert
Bezeichnung
Erläuterung/Berechnung
BZO
Tempo bei Testbearbeitung
Anzahl bearbeiteter Zielobjekte
AF
Auslassungsfehler
Anzahl ausgelassener Zielobjekte
VF
Verwechslungsfehler
Anzahl markierter Distraktoren
KL
Konzentrationsleistung
KL = BZO-AF-VF
F%
Sorgfalt bei Testbearbeitung; Fehleranteil
F% = (AF+VF)/BZO * 100%
Tabelle 38 zeigt die Resultate einer mit den Einzelergebnissen aller d2-R Tests durchgeführten
mehrfaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholung bzgl. des KL Wertes. Diese Form der Analyse wurde gewählt, um die Unterschiede zwischen den Szenarien innerhalb jeder einzelnen Versuchsperson herauszuarbeiten und nicht die von den individuellen Fähigkeiten einzelner Probanden abhängigen absoluten Unterschiede der Konzentrationsleistungen.
Es zeigt sich, dass die Lichteinfallsrichtung und die Beleuchtungsstärke einen signifikanten Einfluss
auf die Konzentrationsleistung hatten. Der Einfluss des Papiertyps ist nicht signifikant. Weiterhin
zeigt sich eine signifikante Abhängigkeit der Konzentrationsleistung vom CRF. Eine Koabhängigkeit
zwischen Lichteinfallsrichtung, Papiertyp und Beleuchtungsstärke ist nicht gegeben. Ebenfalls wird
bestätigt, dass der CRF unabhängig von der Beleuchtungsstärke ist (vgl. Abschnitt 4.4.6).
110
Tabelle 38: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. des KL-Werts
F
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
19,3
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
5,15
0,030
*
Papiertyp
0,173
0,842
Lichteinfallsrichtung:Beleuchtungsstärke
0,273
0,605
Lichteinfallsrichtung:Papiertyp
2,89
0,062
Beleuchtungsstärke:Papiertyp
0,091
0,913
Lichteinfallsrichtung:Beleuchtungsstärke:Papiertyp
0,025
0,975
CRF
16,8
<0,001
Beleuchtungsstärke:CRF
0,156
0,695
*
In Abbildung 107 sind die berechneten Mittelwerte der Konzentrationsleistung in Abhängigkeit von
der Lichteinfallsrichtung und der drei Beleuchtungsstärkeniveaus für die Papiertypen matt (links) und
glänzend (rechts) aufgetragen. Zusätzlich wurde zur besseren Einschätzung der Unterschiede der
Konzentrationsleistung Fisher’s Least Significant Difference (FLSD) bestimmt und eingetragen. Der
ermittelte Wert von 3,32 stellt den maximalen Bereich dar, in dem mögliche Unterschiede nicht signifikant sind. Es ist zu erkennen, dass nur für glänzendes Papier bei seitlichem Lichteinfall durch
das künstliche Tageslicht für das jeweilige Beleuchtungsstärkeniveau signifikant höhere Werte der
Konzentrationsleistung erreicht werden als bei direkter Beleuchtung. Beim matten Papiertyp sind keine signifikanten Unterschiede festzustellen. Ebenfalls ist nur beim glänzenden Papiertyp eine Abhängigkeit der KL-Werte von der Beleuchtungsstärke festzustellen, diese ist jedoch nicht signifikant.
Grundsätzlich werden aber bei 500 lx höhere Werte erreicht als bei 300 lx oder 100 lx.
111
140
139
139
138
138
137
137
Konzentrationsleistung
Konzentrationsleistung
140
136
135
134
133
136
135
134
133
132
132
131
131
130
130
0
direkt
seitlich
1,2
0
direkt
seitlich
Lichteinfallsrichtung
Lichteinfallsrichtung
100 lx
100 lx
300 lx
500 lx
300 lx
1,2
500 lx
Abbildung 107: Mittelwerte der Konzentrationsleistung KL in Abhängigkeit der Lichteinfallsrichtung und
der Beleuchtungsstärke; links: mattes Papier, rechts: glänzendes Papier; Fehlerbalken: FLSD: 3,32
Die Ergebnisse einer mehrfaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholung bzgl. der Anzahl der
bearbeiteten Zeichen BZO, welche ein Maß für die Schnelligkeit der Testbearbeitung ist, zeigen die
gleichen Abhängigkeiten wie für die Konzentrationsleistung KL. Für die Werte des Fehleranteils F%,
der ein Kennwert für die Sorgfalt bei der Testbearbeitung ist, lassen sich keine signifikanten Abhängigkeiten zwischen den Variablen finden. Deshalb wird in der weiteren Auswertung nur noch die
Konzentrationsleistung KL betrachtet.
Zur genaueren Untersuchung der Einflüsse auf die Konzentrationsleistung wurden ergänzend posthoc-tests durchgeführt, um die Unterschiede zwischen direkter Beleuchtung und seitlichem Lichteinfall durch das Fenster für die einzelnen Szenarien herauszuarbeiten. Ergänzend dazu wurde zur besseren Bewertung als Maß für die Effektstärke Cohen’s d ermittelt. Dabei bedeutet nach [Cohen,
1988] 0,2 ≤ |d| < 0,5 einen kleinen, 0,5 ≤ |d| < 0,8 einen mittleren und |d| ≥ 0,8 einen großen Effekt. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 39.
112
Tabelle 39: Ergebnisse der post-hoc-tests bzgl. des KL-Werts
Beleuchtungs
stärke
Papiertyp
KL
direkte
Beleuchtung
KL
seitlicher
Lichteinfall
p
matt
133,8
135,6
0,420
semi
133,1
137,8
0,050
glänzend
131,9
136,2
0,004
matt
135,1
134,9
semi
132,6
glänzend
KL
Cohen’s
d
1,8
0,07
*
4,7
0,20
*
4,3
0,18
0,951
-0,2
0,00
137,2
0,085
4,6
0,19
132,4
137,9
0,003
5,5
0,22
matt
135,7
136,6
0,668
0,9
0,04
semi
135,2
138,8
0,057
3,6
0,14
glänzend
134,3
138,3
0,017
4,0
0,17
100
300
500
p≤0.05
*
*
Die Konzentrationsleistung unterscheidet sich zwischen den beiden Lichteinfallsrichtungen für glänzendes Papier bei allen Beleuchtungsstärken signifikant. Bei glänzendem Papier und seitlichem
Lichteinfall ergibt sich eine um durchschnittlich 4,6 Skalenwerte höhere Konzentrationsleistung.
Cohen’s d weist dabei einen kleinen Effekt aus. Bei semiglänzendem Papier ergeben sich bei seitlichem Lichteinfall im Mittel höhere KL-Werte von 4,3 Skalenwerten und gegenüber dem glänzenden
Papier etwas geringere Effektstärken, allerdings ist der Zusammenhang nur für das 100 lx Niveau
signifikant. Derartige Unterschiede der Konzentrationsleistung entsprechen ein bis zwei Schritten der
vergleichenden Standardwerte in der Normtabelle 6 für den d2-R Test in [Brickenkamp u.a., 2010].
Bei mattem Papier ist bei keiner Beleuchtungsstärke ein signifikanter Unterschied zwischen den
Lichteinfallsrichtungen festzustellen.
Da zwischen CRF und Konzentrationsleistung ein signifikanter Zusammenhang gefunden wurde, jedoch nicht zwischen Papiertyp und Konzentrationsleistung, wurde eine einfaktorielle Varianzanalyse
des Papiertyps bezüglich der Konzentrationsleistung durchgeführt (Tabelle 40). Es zeigt sich, dass
eine signifikante Abhängigkeit der Konzentrationsleistung vom Papiertyp und der Lichteinfallsrichtung nur bei glänzendem Papier gegeben ist.
Tabelle 40: Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse des Papiertyps bzgl. des KL-Werts
Papiertyp
F
p
matt
0,188
0,668
semi
3,90
0,056
glänzend
6,33
0,017
p≤0.05
*
[Reitmaier, 1977] weist darauf hin, dass eine Abhängigkeit der Leistung vom CRF nur gegeben sei,
wenn das Sehdetail und seine Umgebung schwach glänzend sind, da bei matter Oberfläche die
Lichteinfallsrichtung aufgrund der Reflexionseigenschaften nicht wichtig sein sollte. Dies kann insofern bestätigt werden, als dass sich nur bei stark glänzendem Papier eine signifikante Abhängigkeit
der Konzentrationsleistung vom Papiertyp und der Lichteinfallsrichtung ergibt. Das bedeutet, dass
der CRF die Sehleistung nicht für alle Oberflächeneigenschaften wiedergeben kann.
113
4.6.3 Fragebogen
Einschätzung der Helligkeit bzgl. der Sehaufgabe
Tabelle 41 zeigt die Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bezüglich der Frage „Wie beurteilen Sie die Helligkeit der Beleuchtungssituation für die Lese- und Schreibtätigkeit?“. Es zeigt sich,
dass die Einschätzung der Helligkeit signifikant von der Lichteinfallsrichtung und der Beleuchtungsstärke abhängen. Zum Papiertyp ergibt sich keine signifikante Abhängigkeit. Eine Abhängigkeit von
der Beleuchtungsstärke war zu erwarten, da die drei Beleuchtungsstärkeniveaus in Anlehnung an
die Beleuchtungsstärkeskala in DIN EN 12464-1 gewählt wurden, welche nach wahrnehmbaren
Unterschieden unterteilt ist.
Tabelle 41: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. der Helligkeit (Sehaufgabe)
Papiertyp
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
<0,001
*
Papiertyp
0,848
In Abbildung 108 sind die Mittelwerte der Einschätzung der Helligkeit bzgl. der Sehaufgabe in Abhängigkeit von der Lichteinfallsrichtung und von der Beleuchtungsstärke dargestellt.
Einschätzung der Helligkeit bzgl. der Sehaufgabe
5
4
3
2
0
direkt
seitlich
1,2
Lichteinfallsrichtung
100 lx
300 lx
500 lx
Abbildung 108: Mittelwerte der Einschätzung der Helligkeit (Sehaufgabe) (1 zu dunkel, 7 zu hell);
Fehlerbalken: FLSD: 0,10
114
Zur genaueren Untersuchung der Abhängigkeit von der Lichteinfallsrichtung wurden post-hoc-tests
durchgeführt und mit der Berechnung von Cohen’s d ergänzt (Tabelle 42). Für die Beleuchtungsstärkeniveaus 300 lx und 500 lx ergeben sich signifikante Unterschiede in der Einschätzung der
Helligkeit bzgl. der Sehaufgabe zwischen den beiden Lichteinfallsrichtungen mit großen Effekten.
Dabei wurde die Helligkeit bei seitlichem Lichteinfall um etwa eine halbe Skaleneinheit dunkler eingeschätzt als bei direkter Beleuchtung. Bei 100 lx ergeben sich nur kleine Effekte und keine signifikanten Unterschiede.
Tabelle 42: Ergebnisse der post-hoc-tests bzgl. Einschätzung der Helligkeit (Sehaufgabe)
Beleuchtungs
stärke
100
300
500
Papiertyp
Mittelwert der
Helligkeitseinschätzung
(Sehaufgabe)
direkte
Beleuchtung
Mittelwert der
Helligkeitseinschätzung
(Sehaufgabe)
seitlicher
Lichteinfall
p
matt
2,71
2,97
0,193
0,29
semi
2,65
2,79
0,432
0,18
glänzend
2,88
2,79
0,681
-0,09
matt
4,12
3,50
<0,001
*
-0,77
semi
3,97
3,65
0,039
*
-0,46
glänzend
4,12
3,44
<0,001
*
-0,83
matt
4,47
3,76
<0,001
*
-0,95
semi
4,44
3,91
<0,001
*
-0,86
glänzend
4,56
3,79
<0,001
*
-1,01
p≤0.05
Cohen’s
d
Einschätzung der Helligkeit im Raum
Die Einschätzung der Helligkeit im Raum („Wie empfinden Sie die Lichtverhältnisse im gesamten
Raum im Allgemeinen?“; zu dunkel – zu hell) fällt sehr ähnlich wie die Einschätzung der Helligkeit in
Bezug auf die Sehaufgabe aus. Bei der mehrfaktoriellen Varianzanalyse, deren Ergebnisse Tabelle
43 zeigt, ergibt sich ebenfalls eine signifikante Abhängigkeit der Helligkeitseinschätzung von der
Beleuchtungsstärke, was mit der gleichen Begründung wie bei der Bewertung bzgl. der Sehaufgabe
zu erklären ist. Ebenfalls ergibt sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Einschätzung der
Helligkeit im Raum und der Lichteinfallsrichtung. In der grafischen Darstellung der Mittelwerte für
die Einschätzung der Helligkeit im Raum in Abbildung 109 ist zu erkennen, dass die Helligkeit im
Raum bei seitlichem Lichteinfall mit 300 lx und 500 lx um etwa eine halbe Skaleneinheit dunkler
eingeschätzt wurde als die direkte Beleuchtung (vgl. Fragebogen in Abbildung 84). Für 100 lx ergibt sich kein signifikanter Unterschied.
Die Helligkeit im Raum wurde fast genau wie die Helligkeit bezüglich der Sehaufgabe bewertet.
Werden aber die von der Lichteinfallsrichtung abhängigen in Abschnitt 4.4.4 gezeigten unterschiedlichen Leuchtdichteverteilungen im Raum berücksichtigt, deutet dies darauf hin, dass die bei direkter
Beleuchtung gegenüber dem seitlichen Lichteinfall höheren Leuchtdichten auf der Arbeitsfläche einen starken Einfluss auf die Bewertung des Raumes hatten.
115
Tabelle 43: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. der Helligkeit (Raumeindruck)
Papiertyp
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
<0,001
*
Papiertyp
0,277
Einschätzung der Helligkeit im Raum
5
4
3
2
0
direkt
seitlich
1,2
Lichteinfallsrichtung
100 lx
300 lx
500 lx
Abbildung 109: Einschätzung der Helligkeit im Raum (1 zu dunkel, 7 zu hell); Fehlerbalken: FLSD: 0,11
116
Einschätzung der Lichtverhältnisse bzgl. der Sehaufgabe (Anstrengung)
Die Bewertung der Lichtverhältnisse bzgl. der Sehaufgabe („Wie bewerten Sie die Sehaufgabe, in
Bezug auf die momentanen Lichtverhältnisse, für die Augen?“; überhaupt nicht anstrengend – sehr
anstrengend) zeigt signifikante Zusammenhänge zur Lichteinfallsrichtung, zur Beleuchtungsstärke
und dem Papiertyp (Tabelle 44).
Tabelle 44: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. der Augenanstrengung
Papiertyp
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
<0,001
*
Papiertyp
<0,001
*
6
Einschätzung der Lichtverhältnisse auf der Sehaufgabe
(Anstrengung)
Einschätzung der Lichtverhältnisse auf der Sehaufgabe
(Anstrengung)
Abbildung 110 zeigt die grafische Darstellung der Mittelwerte der Bewertung der Anstrengung für
die Augen. Bei seitlichem Lichteinfall fiel die Bewertung um eine (100 lx) bis zu zwei (500 lx) Skaleneinheiten geringer aus als bei direkter Beleuchtung. Das Beleuchtungsstärkeniveau von 100 lx wurde dabei immer als anstrengendste Situation bewertet (links). Die Bewertungen von 300 lx und
500 lx unterscheiden sich nicht signifikant. Diese Lichtverhältnisse wurden also als ähnlich anstrengend bzw. unanstrengend bewertet. Bei seitlichem Lichteinfall fielen die Bewertungen für alle Papiere gleich gering aus (rechts). Im Gegensatz dazu wurden die Lichtverhältnisse bei direkter Beleuchtung bei mattem Papier sogar um eine Skaleneinheit anstrengender bewertet als bei seitlichem
Licht. Bei glänzendem Papier wurde die Situation um mehr als drei Skaleneinheiten anstrengender
eingeschätzt.
5
4
3
2
1
0
direkt
seitlich
1,2
6
5
4
3
2
1
0
direkt
seitlich
Lichteinfallsrichtung
Lichteinfallsrichtung
100 lx
matt
300 lx
500 lx
semi
1,2
glänzend
Abbildung 110: Lichtverhältnisse der Sehaufgabe (1 überhaupt nicht anstrengend, 7 sehr anstrengend);
Parameter: Beleuchtungsstärke (links), Papiertyp (rechts); Fehlerbalken: FLSD: 0,19
117
Einschätzung der Lichtverhältnisse im Raum (Annehmlichkeit)
Die Varianzanalyse zur Einschätzung der Lichtverhältnisse im Raum bzgl. der Annehmlichkeit („Wie
empfinden Sie die Lichtverhältnisse im gesamten Raum im Allgemeinen?“; sehr angenehm – sehr
unangenehm) zeigt signifikante Abhängigkeiten von der Lichteinfallsrichtung, Beleuchtungsstärke
sowie vom Papiertyp (Tabelle 45). Die Ergebnisse fallen sehr ähnlich wie bei der Bewertung der
Lichtverhältnisse bzgl. der Sehaufgabe (Anstrengung) aus.
Tabelle 45: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. der Annehmlichkeit
Papiertyp
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
<0,001
*
Papiertyp
0,018
*
Abbildung 111 zeigt die Mittelwerte der Einschätzung der Lichtverhältnisse im Raum bzgl. der Annehmlichkeit. Auf der linken Seite ist zu sehen, dass die Lichtverhältnisse im Raum bei Beleuchtung
durch seitlichen Lichteinfall um eine Skaleneinheit angenehmer bewertet wurden. Wobei sowohl bei
direkter Allgemeinbeleuchtung als auch bei seitlichem Tageslicht das 100 lx am wenigsten angenehm und 500 lx am angenehmsten bewertet wurden. Dabei ist der Unterschied von 300 lx zu
500 lx nicht signifikant. Rechts ist zu erkennen, dass die Lichtverhältnisse bei seitlichem Lichteinfall
für alle Papiertypen um eine Skaleneinheit und damit signifikant angenehmer beurteilt wurden als
bei direkter Beleuchtung. Dort fällt auf, dass die Lichtverhältnisse im Raum bei glänzendem Papier
signifikant unangenehmer eingeschätzt wurden.
Die signifikante Abhängigkeit der Einschätzung der Annehmlichkeit der Lichtverhältnisse im Raum
bei direkter Beleuchtung vom Papiertyp ist überraschend. Möglicherweise hatten wie schon bei der
Bewertung der Helligkeit im Raum auch hier die höhere Leuchtdichte auf der Arbeitsfläche und zusätzlich die durch die direkte Beleuchtung bei glänzendem Papier gegebenen Nachteile durch Reflexionen einen Einfluss auf die Bewertung der Annehmlichkeit der Lichtverhältnisse im Raum. Diese
Interpretation wird von der Tatsache unterstützt, dass der Fragebogen selbst auf dem jeweiligen Papiertyp gedruckt war, um bei der Beantwortung der Fragen als Referenz zu dienen.
118
Einschätzung der Annehmlichkeit der Lichtverhältnisse
im Raum
Einschätzung der Annehmlichkeit der Lichtverhältnisse
im Raum
5
4
3
2
0
direkt
seitlich
5
4
3
2
0
1,2
direkt
seitlich
Lichteinfallsrichtung
Lichteinfallsrichtung
100 lx
matt
300 lx
500 lx
semi
glänzend
Abbildung 111: Lichtverhältnisse im Raum (1 sehr angenehm, 7 sehr unangenehm);
Parameter: Beleuchtungsstärke (links), Papiertyp (rechts); Fehlerbalken: FLSD: 0,18
119
1,2
Einschätzung der Reflexion
Die ursprünglich drei Fragen zur Bewertung der Reflexblendung konnten auf die erste Frage reduziert werden, da sich die Ergebnisse auf die Frage, wie störend die Reflexion ist, auch in der Frage
der Wahrnehmung widerspiegelten. Im Übrigen stellte sich während des Versuchs heraus, dass die
Tätigkeiten beim Durchstreichtest von den Probanden nicht als Schreibarbeit identifiziert wurden
und daher auch nicht von der Lesearbeit differenziert werden konnte.
Die Antwort auf die Frage „Nehmen Sie Reflexion auf dem Papier wahr?“ ist signifikant abhängig
vom Papiertyp und der Lichteinfallsrichtung (Tabelle 46). In Abbildung 112 ist zu erkennen, dass die
Reflexion bei seitlichem Lichteinfall kaum bis gar nicht wahrgenommen wurde. Die Reflexion wurde
bei direkter Beleuchtung gegenüber dem seitlichen Lichteinfall für glänzendes Papier um ca. vier
Skaleneinheiten, bei seidenmattem Papier um etwa drei Skaleneinheiten und bei mattem Papier nur
geringfügig störender eingeschätzt.
Tabelle 46: Ergebnisse der mehrfaktoriellen Varianzanalyse bzgl. der Reflexionswahrnehmung
Papiertyp
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
0,263
Papiertyp
<0,001
*
7
Einschätzung der Reflexion
6
5
4
3
2
1
0
direkt
seitlich
1,2
Lichteinfallsrichtung
matt
semi
glänzend
Abbildung 112: Einschätzung der Reflexion (1 nein überhaupt nicht, 7 ja sehr); Fehlerbalken: FLSD: 0,16
120
4.6.4 Subjektive untere Annehmlichkeitsgrenze
Für die von den Probanden eingestellten Beleuchtungsstärken „bei denen Sie gerade noch angenehm über einen längeren Zeitraum arbeiten könnten“ wurde eine mehrfaktorielle Varianzanalyse
durchgeführt, deren Ergebnisse Tabelle 47 zeigt.
Tabelle 47: Ergebnisse der Varianzanalyse bzgl. der eingestellten Beleuchtungsstärke
F
p
p≤0.05
Lichteinfallsrichtung
14,070
<0,001
*
Beleuchtungsstärke
48,478
<0,001
*
Papiertyp
2,1054
0,130
Die eingestellte Beleuchtungsstärke ist signifikant abhängig von der vor Beginn des Dimmvorgangs
vorhandenen Beleuchtungsstärke sowie von der Lichteinfallsrichtung, nicht jedoch vom Papiertyp.
Die Abhängigkeit vom Beleuchtungsstärkeniveau lässt sich mit dem während des d2-R Tests und
Ausfüllen des Fragebogens angepassten Adaptationsniveau der Probanden erklären [Völker, 2000].
Abbildung 113 zeigt die Mittelwerte der eingestellten Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit der Lichteinfallsrichtung und des vorherrschenden Beleuchtungsstärkeniveaus. Es ist zu erkennen, dass die
eingestellten Beleuchtungsstärken bei seitlichem Lichteinfall jeweils unter den bei direkter Beleuchtung eingestellten Beleuchtungsstärken liegen. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass bei tageslichtähnlicher Lichtverteilung im Raum niedrigere Beleuchtungsstärken akzeptiert werden, als bei
künstlicher Direktbeleuchtung.
Eingestellte Beleuchtungsstärke in lx
200
175
150
125
100
75
50
0
direkt
seitlich
1,2
Lichteinfallsrichtung
100 lx
300 lx
500 lx
Abbildung 113: Mittelwerte der eingestellten Beleuchtungsstärken; Fehlerbalken: FLSD: 15,1
121
Zur genaueren Prüfung wurden post-hoc-tests zum Vergleich der zwei Lichteinfallsrichtungen durchgeführt. In Tabelle 48 sind die zusammengefassten Ergebnisse dargestellt. Bei allen Szenarien, außer bei 500 lx seidenmattem und glänzendem Papier, ergeben sich signifikante Unterschiede der
eingestellten Beleuchtungsstärken zwischen den Lichteinfallsrichtungen mit kleiner bis mittlerer Effektstärke. Aus der Kenntnis, dass der Papiertyp keinen signifikanten Unterschied bewirkt, wurden in
Tabelle 49 für jedes Beleuchtungsstärkeniveau Mittelwerte gebildet. Bei seitlichem Lichteinfall wurden im Durchschnitt um 15 % niedrigere Werte eingestellt als bei direkter Beleuchtung.
Tabelle 48: Ergebnisse der post-hoc-tests bzgl. der eingestellten Beleuchtungsstärke
Beleuchtungs
stärke
100
300
500
Papiertyp
E in lx
direkte
Beleuchtung
E in lx
seitlicher
Lichteinfall
p
p≤0.05
Cohen’s
d
matt
71,8
58,5
0,002
*
-0,41
semi
68,5
59,6
0,004
*
-0,32
glänzend
66,6
57,6
0,010
*
-0,28
matt
150
119
0,002
*
-0,37
semi
141
111
0,009
*
-0,38
glänzend
139
115
0,005
*
-0,32
matt
197
152
<0,001
*
-0,35
semi
174
157
0,099
-0,15
glänzend
166
168
0,555
0,01
Tabelle 49: Relative Differenzen der mittleren eingestellten Beleuchtungsstärke
Beleuchtungs
stärke
Ē in lx
direkte
Beleuchtung
Ē in lx
seitlicher
Lichteinfall
relative
Differenz
in %
100
69
59
14
300
143
115
21
500
179
159
11
Die Faktoren, wie weit von der Ausgangsbeleuchtungsstärke herunter gedimmt wurde, sind erwartungsgemäß vom Adaptationsniveau abhängig. Vom für Bürobeleuchtung in DIN EN 12464-1 vorgesehenen Wartungswert der Beleuchtungsstärke von 500 lx ausgehenden Niveau wurde auf etwa
ein Drittel herunter gedimmt.
Die Ergebnisse dieses Versuchsteils sind grundsätzlich mit Vorsicht zu genießen, da die Probanden
die Beleuchtungsstärke zwar so weit herunter gedimmt haben, dass sie „über einen längeren Zeitraum“ unter dieser Beleuchtung arbeiten könnten, dies aber aus versuchsökonomischen Gründen
nicht überprüft werden konnte. Da diese untere Annehmlichkeitsschwelle keine Relevanz für die ursprünglichen Fragestellungen hat, ob bei seitlichem Tageslichteinfall für den Wartungswert der Beleuchtungsstärke ein Faktor von 0,6 auch in der Praxis gerechtfertigt ist, werden diese Ergebnisse
nur der Vollständigkeit halber gezeigt.
122
4.7 Zusammenfassende Betrachtung des Probandenversuchs
d2-R
Die in DIN EN 12464-1 geforderten Wartungswerte der Beleuchtungsstärke gelten als Minimalwerte, die dazu dienen, auch in ungünstigen Situationen über einen längeren Zeitraum noch akzeptable Sehleistungen sicher zu stellen. Eine besonders ungünstige Beleuchtungssituation ergibt sich bei
glänzenden Oberflächen und direkter Beleuchtung, bei der die Leuchten über der horizontalen Arbeitsebene angebracht sind. Bei Beleuchtungssituationen mit seitlichem Tageslichteinfall können
laut DIN 5034-1 die gleichen Sehbedingungen mit um einen Faktor von 0,6 niedrigeren Beleuchtungsstärken erreicht werden.
In diesem Probandenversuch ergeben sich nur für glänzendes Papier bei seitlichem Lichteinfall signifikant höhere Werte der Konzentrationsleistung gegenüber der direkten Beleuchtung. Dabei sind
die KL-Werte bei 100 lx bei seitlichem Lichteinfall mit den Werten vergleichbar, die bei 500 lx und
direkter Beleuchtung erzielt werden. Dies deutet darauf hin, dass für den ungünstigen Fall des glänzenden Papiers mit 0,2 ein noch niedrigerer Faktor als in der Norm angesetzt werden könnte. Beim
matten Papiertyp treten keine signifikanten Unterschiede der Konzentrationsleistung in Abhängigkeit
von der Beleuchtungsstärke und der Lichteinfallsrichtung auf. Dies bestätigt und übertrifft in Teilen
die erste Forschungshypothese (vgl. Abschnitt 2.2), wenn berücksichtigt wird, dass die Angaben der
Norm für den ungünstigsten Fall vorgesehen sind. Bei mattem Papier ergeben sich durchgehend
gleiche KL-Werte, hier ist also kein mit einem Faktor zu beschreibender Unterschied festzustellen,
aber im Vergleich zur Situation mit glänzendem Papier auch nicht notwendig. Es könnte also bei
mattem Papier grundsätzlich auch mit niedrigeren Beleuchtungsstärken von 300 lx oder sogar
100 lx gearbeitet werden. Darauf weisen auch die schon lange bekannten Untersuchungen von
[Hunt, 1980] hin.
Gleichzeitig wird die zweite Forschungshypothese (Abschnitt 2.2) bestätigt: Die Unterschiede der
Konzentrationsleistungen zwischen den Lichteinfallsrichtungen sind größer, je stärker das Papier
glänzt.
Der Kontrastwiedergabefaktor CRF kann nicht pauschal als Maß für die Sehleistung herangezogen
werden, da dieser nur bei glänzenden Materialien mit der Konzentrationsleistung korreliert. Damit
lässt sich die dritte Forschungshypothese nicht bestätigen.
Fragebogen
Bei der Befragung wurde die Beleuchtung mit seitlichem Lichteinfall um bis zu eine Skaleneinheit
dunkler eingeschätzt als die direkte Beleuchtung. Dabei sind die Unterschiede bei 300 lx und 500 lx
Beleuchtungsstärkeniveau signifikant. Auf die Frage welche Beleuchtungsart angenehmer sei, fallen
die Antworten für das seitlich einfallende „Tageslicht“ signifikant besser aus. Dies bestätigt die vierte
Forschungshypothese. Die Annahme, dass eine dunkler eingeschätzte Lichtsituation auch als unangenehmer wahrgenommen wird, trifft hier nicht zu. Es zeigt sich, dass das seitlich einfallende „Tageslicht“ gleichzeitig dunkler und angenehmer wahrgenommen wird als die direkte „künstliche Beleuchtung“.
123
Die Beleuchtungssituationen bei 100 lx wurden immer signifikant dunkler eingeschätzt, als bei
300 lx und 500 lx, allerdings ergaben sich bei diesen niedrigen Beleuchtungsstärken keine Unterschiede mehr zwischen den Lichteinfallsrichtungen. Zusammen mit den deutlich schlechteren Annehmlichkeitsbewertungen der 100 lx-Szenarien deutet dies darauf hin, dass bei diesem Beleuchtungsstärkeniveau tatsächlich eine Akzeptanzschwelle unterschritten wurde. Dies spricht gegen die
beim d2-R Test gefundene Möglichkeit, einen noch kleineren Faktor als 0,6 für seitlichen Tageslichteinfall anzusetzen.
Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die Reflexion auf dem Papier bei seitlichem Lichteinfall unabhängig vom Papiertyp kaum bis gar nicht wahrgenommen wird. Dies zeigt, dass auch bei glänzenden Oberflächen gerichtete Beleuchtung störungsfrei möglich ist, sobald eine passende geometrische Anordnung des Arbeitsplatzes zur Lichtquelle gewählt wird. Hängen die Leuchten jedoch im
ungünstigsten Winkel zum Betrachter, so wird die Reflexion bei glänzendem Papier am stärksten
wahrgenommen und bei mattem Papier am geringsten. Weiter ist zu anzumerken, dass die Beurteilung der Reflexion für die in dieser Untersuchung verwendeten Beleuchtungsstärkeniveaus nicht von
der Beleuchtungsstärke abhängt, die Reflexion wird bei niedrigen Beleuchtungsstärken genauso
stark störend beurteilt wie bei hohen Beleuchtungsstärken.
124
5 Zusammenfassende Bewertung
Seit der Änderung der Energieeinsparverordnung im Jahr 2007 wird bei der Bewertung des Energieumsatzes von Gebäuden auch die Beleuchtung berücksichtigt. Dies ist entscheidend, da gerade
im Gewerbe-, Handels- und Dienstleistungsbereich besonders hohe Anteile des elektrischen Energieumsatzes auf die Beleuchtung zurückzuführen sind. Durch den relativ hohen Primärenergiefaktor
für die Stromerzeugung in Deutschland bewirkt eine Senkung des Energieumsatzes für die Beleuchtung eine entsprechend größere Reduktion des CO2-Ausstoßes. Wird noch das Alter der Beleuchtungsanlagen berücksichtigt, das nach ZVEI in 75 % aller Nichtwohngebäude bei über 25 Jahren
liegt, wird die Dringlichkeit von Sanierungsmaßnahmen deutlich.
Dass neu geplante Beleuchtungsanlagen aufgrund der moderneren Technik erhebliche Energieeinsparpotenziale von bis zu 70 % erreichen, wurde in dieser Arbeit für mehrere Gebäudetypen demonstriert. Gleichzeitig wurden die Einflüsse unterschiedlicher Maßnahmen durch Berechnungen
und Messungen in der realen Nutzung untersucht. Dies sind die Lampen- und Leuchtentechnik, eine
Präsenzüberwachung sowie eine tageslichtabhängige Regelung. Je nach Nutzungsanforderung hat
die verbesserte Lampen und Leuchtentechnik mit über zwei Dritteln den größten Anteil an der Energieeinsparung. Neben den energetischen Optimierungen müssen für eine gute Beleuchtung aber
immer auch weitere wichtige Aspekte berücksichtigt werden. So wurde die Beleuchtungsqualität in
allen gezeigten Beispielen erheblich verbessert, in Museen steht zusätzlich noch der Schutz der Ausstellungsobjekte vor Schädigung durch optische Strahlung im Mittelpunkt. Die Optimierung dieser
wichtigen Parameter bei gleichzeitiger Verbesserung der Energieeffizienz ist durch den Einsatz der
LED-Technik erstmals möglich.
Eine gute Beleuchtungsplanung berücksichtigt immer auch das Tageslicht im Innenraum. Dies stellt
eine sehr effiziente und qualitativ hochwertige Beleuchtung dar. Die Auswirkungen auf den Energieumsatz für die Beleuchtung bei unterschiedlich guter Tageslichtversorgung in Schulklassenräumen
und Büroarbeitsplätzen konnten nachgewiesen werden. Eine weitere Möglichkeit, den Energieumsatz für die Beleuchtung in tageslichtversorgten Bereichen zu senken, ist die Nutzung der Vorteile
des seitlichen Tageslichteinfalls. Dazu gibt DIN 5034-1 einen Faktor von 0,6 an, um den bei seitlichem Tageslichteinfall der Wartungswert der Beleuchtungsstärke für horizontale Sehaufgaben reduziert werden darf. Da diese Angabe bisher nur auf Berechungen beruhte, wurden in einem Probandentest unter kontrollierten Laborbedingungen die Auswirkungen des seitlichen Tageslichteinfalls
gegenüber einer konventionellen künstlichen Beleuchtungsanlage bei unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten der Sehaufgabe weitergehend untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass für
die Bewältigung der Sehaufgabe sogar noch kleinere Faktoren zu begründen wären. Jedoch fielen
die Bewertungen der Annehmlichkeit durch die Probanden bei Faktoren <0,6 erheblich schlechter
aus. Der in der Norm vorgeschlagene Faktor von 0,6 ist damit als Kompromiss für eine bestmögliche Energieeinsparung bei gleichzeitig guter Vorraussetzung zur Bewältigung der Sehaufgaben und
einer angenehmen Beleuchtungssituation bestätigt.
Bei diesen Untersuchungen wurden wirtschaftliche Aspekte nicht berücksichtigt. Die Amortisationszeiten fallen jedoch aufgrund des sehr hohen Energieeinsparpotenzials von bis zu 70 % gegenüber
ineffizienter Altanlagen relativ kurz aus. Je nach Investitionsaufwand und individueller Nutzung können sie jedoch auch größer ausfallen, sodass sich die Sanierung der Beleuchtungsanlage monetär
125
nicht rentiert. Um in diesen Fällen einen ewigen Weiterbetrieb besonders ineffizienter Anlagen zu
verhindern, sind zukünftig gesetzliche Anforderungen festzulegen, die als Mindestgrenzen für die
Energieeffizienz beim Betrieb von Beleuchtungsanlagen gelten. Damit wird definiert, wann Altanlagen außer Betrieb genommen werden müssen und welche Anforderungen eine Neuanlage zur Inbetriebnahme mindestens erfüllen muss.
126
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[Völker, 2000]
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